调制周期对CrAlN/ZrN纳米多层膜韧性的影响

目的研究调制周期对纳米多层膜性能的影响。方法采用磁控溅射方法制备了CrAlN与ZrN的固定厚度比为2.6,不同调制周期(Λ为6,8,10,20 nm)的CrAlN/ZrN纳米多层膜。利用场发射扫描电镜(FESEM)表征薄膜的形貌、结构。用Dektak150型台阶仪测薄膜表面粗糙度。用Agilent Technologies G200纳米压痕仪检测涂层的硬度和弹性模量。用划痕仪测薄膜/基材的结合力,同时,引入抗裂纹扩展系数(CPR)表征纳米多层膜的韧性。结果 CrAlN/ZrN纳米多层膜断面皆为穿晶柱状结构,调制周期为20 nm时,多层膜层与层之间的界面清晰;多层膜表面呈致密的花椰菜状,厚度均约为2μm。调制周期为8 nm时,硬度为20.4 GPa,进一步增大调制周期,硬度下降。调制周期为8 nm的多层膜临界载荷L_(c2)为18 N,CPR值为73.2,L_(c2)与CPR值均高于其他调制周期的多层膜。在临界载荷L_(c2)处,裂纹扩展导致薄膜发生了严重的片状剥落,露出了亮白的热轧钢基底,薄膜失去了保护作用。结论实验表明,在多层膜厚度、调制比不变的条件下,改变调制周期能够改变多层膜的韧性。随着调制周期的增大,韧性呈先上升、后下降的趋势。调制周期为8 nm时,纳米多层膜的硬度最高,韧性最好,综合性能良好。     

基于ALD低温制备的纳米涂层刀具性能研究

目的 探索基于原子层沉积法(Atomic Layer Deposition,ALD)的纳米涂层低温制备技术,并重点研究涂层沉积过程及纳米氧化铝涂层对刀具力学性能的影响.方法 利用原子层沉积法,在200℃的环境下制备不同涂层厚度的纳米Al2O3涂层刀具,对涂层的微观组织、厚度、硬度、断裂韧性、断口形貌、弯曲强度、结合力及摩擦系数进行检测.结果 ALD沉积技术能将纳米涂层均匀沉积在YT5刀具表面,且涂层光滑,无滴状气泡,涂层厚度可以精确控制在纳米级.ALD涂层与基体结合力的大小与涂层厚度相关,随着涂层厚度增大,结合力呈先增后降的趋势,测得50、100、200 nm等3种纳米涂层结合力大小分别为11.07、12.74、7.86 N.纳米涂层能够提高刀具的硬度,显著降低刀具表面的摩擦系数,测得刀具摩擦系数分别为0.56、0.43、0.67,最高降低摩擦系数达40％以上.此外在200℃的沉积温度下,没有产生金属相变,因而对刀具基体没有影响,刀具的断裂韧性和弯曲强度没有降低.结论 基于ALD的纳米涂层低温沉积技术所制备的纳米涂层刀具,具有良好的力学性能及涂层-基体界面结合力,能显著提高刀具性能,改善切削加工条件.     

多弧离子镀制备TiAlCN和TiAlN涂层的结构和摩擦磨损性能

目的 对比研究TiAlCN和TiAlN涂层的结构、塑韧性、结合力和摩擦磨损性能.方法 采用多弧离子镀技术制备了TiAlCN和TiAlN涂层.利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS)研究了涂层的微观形貌、元素和物相组成.通过纳米压痕、纳米划痕、划痕测试仪和摩擦磨损实验研究了涂层的硬度、...     

双辉等离子渗钽对TiAlN/Ta复合涂层结构和性能的影响

采用Ta层作为过渡层,通过双辉等离子渗金属（DGPSA）与射频磁控溅射（RFMS）辅助直流脉冲磁控溅射技术（DCPMS）制备TiAlN/Ta复合涂层。借助掠入射XRD、SEM、AFM、纳米压痕、划痕以及摩擦磨损测试了不同工艺制备的Ta过渡层对复合涂层的相结构、表面（截面）形貌、硬度、结合力、韧性和摩擦磨损性能的影响。结果表明,TiAlN复合涂层在高偏压作用下结构致密,RFMS技术制备的Ta过渡层为柱状晶结构,复合涂层表面粗糙度较小,硬度较大而磨损稳定性和耐磨性较差;而DGPSA技术制备的Ta过渡层为纳米晶结构,复合涂层表面粗糙度较大,硬度降低但磨损稳定性与耐磨性都增强。对比发现,通过DGPSA技术制备Ta过渡层使得TiAlN/Ta复合涂层的结合力与韧性大幅度提高。     

含NiAl涂层的TC4钛合金板材的拉伸失效机理

利用等离子喷涂技术在TC4钛合金零件表面制备涂层是常见的增强钛合金性能的方法，但变形时涂层的失效机理尚不明确。通过室温拉伸试验测试了含NiAl涂层的TC4钛合金板材的力学性能，深入分析了各阶段力学行为的特点。通过金相显微镜观察了涂层中的裂纹，明确了涂层的失效原因，并建立了单向拉伸涂层的失效模型。结果表明：涂层的失效是由开裂和脱粘引起的，开裂是在涂层的厚度方向贯穿涂层的裂纹，脱粘是基体与涂层的机械结合失效导致的分离。开裂和脱粘是涂层失效过程的两个阶段：开裂发生在拉伸前期的弹性阶段，在应力的作用下在涂层中的缺陷处或涂层表面开裂；而脱粘主要发生在拉伸后期的塑性阶段，涂层与基体的结合失效导致涂层脱落。涂层的周期性开裂导致弹性阶段的应力-应变曲线呈现周期性的台阶形状，塑性阶段涂层的脱粘与开裂相遇导致部分涂层残留在基体上。     

化学镀Ni-P电镀Ni-Co-Mn复合层力学及耐热腐蚀性能研究

通过先化学镀后电镀的方法制得“基材-化学镀Ni-P层-电镀Ni-Co-Mn层”的复合层,采用金相观测、纳米压痕、纳米划痕、SEM、EDS等方法研究了镀层的力学性能及耐热腐蚀性能。结果表明,复合层的弹性模量与纳米硬度与电镀层相近,比单一化学镀层略低;复合层与基材结合得较好,复合层中两种镀层亦结合得较好,结合力超出纳米划痕的最大测量值28N,比单一电镀层与基材的结合力大;化学镀层与电镀层的组织致密度较高,耐热腐蚀性及抗氧化性较好,且化学镀层稍优于电镀层;先化学镀后电镀的工艺比单一电镀的结合牢固,比单一化学镀的镀层生长速率要快,且热腐蚀后与基材的结合力提升很多。     

铜合金表面过渡层厚度对Cr-DLC薄膜残余应力和结合性能的影响

为提高铜合金表面Cr-DLC薄膜的膜/基结合性能,设计了Cr/CrN/Cr-DLC多层结构薄膜,采用磁控溅射/等离子辅助气相沉积方法在铜合金样品表面制备不同Cr粘结层厚度的Cr掺杂类金刚石（Cr-DLC）薄膜。利用高分辨拉曼光谱仪、薄膜应力仪、纳米压痕仪、划痕仪和连续冲击试验机分别对薄膜的微观结构、残余应力、纳米硬度和弹性模量、薄膜与基体结合性能和耐冲击韧性进行测试。结果表明,随着Cr粘结层厚度的增加,铜合金表面Cr-DLC薄膜的残余应力出现了先升高后降低的趋势,最小残余应力达到-0.47 GPa,降幅高达75.5%。薄膜的膜/基结合力随Cr粘结层厚度的增加而提高,当Cr粘结层厚度为1.01 μm时,Cr-DLC薄膜的膜/基结合力最佳,与无Cr粘结层Cr-DLC薄膜的第1（L_c1）和第2（L_c2）临界载荷相比分别提高69%和67%。经20 000次连续冲击试验,所有薄膜样品冲击坑的冲击深度均没有弹性恢复,薄膜在冲击坑的中心位置均出现一定面积的剥落,其中,Cr粘结层厚度1.01 μm的Cr-DLC薄膜样品的膜层剥落面积最小,表现出了最好的抗连续冲击的能力。一定厚度Cr粘结层能够大幅降低铜合金表面Cr-DLC薄膜的残余应力,提高膜/基结合力和耐冲击性能。     

跨尺度、高深宽比惯性微开关制作工艺研究

采用基于光刻和微电铸的多层UV-LIGA工艺在金属基底上制作了惯性微开关。研究了电铸面积对胶层内应力的影响,解决了胶层从基底脱落的问题。通过实验分析了电流密度对铸层层间结合力的影响,解决了铸层分层问题。通过煮沸无机酸的方式去除高深宽比金属微结构内的光刻胶,解决了SU-8胶去胶难的问题。最终,成功制作出外形尺寸为14 mm×11 mm×0.6 mm的跨尺度、高深宽比惯性微开关,其最小线宽为29.8μm,最大深宽比为17∶1,从而克服了目前制作惯性微开关时基底易碎、需溅射导电种子层、整体尺寸小、深宽比低的局限性。     

电子束蒸发镀铬制备凹印版材耐磨层的研究

利用电子束蒸发镀技术在铜表面沉积铬层,并对制备的工艺,涂层的性能行了初步研究.结果显示,采用低电压(6kV)和低束流(50mA、60mA))蒸镀时,沉积速度适中,所得的膜层呈银白色且光亮,内应力较小,无开裂现象,镀层厚度均匀,硬度较高,且与基体结合良好.适当控制电子枪的工艺参数和烘烤时间可以增加薄膜与基体的结合力.     

基于电化学沉积的金属基微射频T形功分器研制

以光刻和精密微电铸技术为基础,采用正负胶相结合的方法,在金属基底上制作同轴结构的微射频T形功分器。采用单层分次曝光方法制作了微电铸用AZ 50XT厚正性光刻胶胶模,改善了单层单次曝光时胶模侧壁陡直性差的情况;使用粘附强度高的金属作为种子层以增强支撑体与内导体之间的结合力,解决了后处理时内导体易从支撑体脱落的问题;通过增加铸后光刻步骤,解决了铸层高度测量困难的问题。最终,制作出外形尺寸为7700μm×3900μm×210μm、最小尺寸为40μm的微射频T形功分器,为微型功分器的制作提供了一种可行的工艺参考方案。     

Effect of Oxidation on the Bonding Formation of Plasma-Sprayed Stainless Steel Splats onto Stainless Steel Substrate

Stainless steel splats were deposited on 304 stainless substrates with different thicknesses of oxide layer to examine the effect of substrate oxidation on splat morphology and splat-substrate interface bonding by inert low-pressure plasma spraying. The cross sections of splats showing the splat-substrate interface were prepared by focus ion beam (FIB). The splat morphology and splat-substrate interface bonding state were characterized by scanning electron microscopy. The interface bonding was also examined by an electrolytic etching process. Results showed that with increasing oxide layer thickness and surface roughness, the morphology of splat changed from disk shape to splashed finger-like shape. The examination into the interface bonding by using FIB-prepared cross-sectional samples revealed that the splat interface bonding depended on the oxide roughness and composition. The interface bonding with a ratio of 44% was formed at the inner part of a splat on the pre-oxidized substrate when iron oxide presented on the surface, and the roughness of oxide scale was <5 nm. When the pre-oxidizing temperature exceeded 800 °C, the surface roughness increased to 14 nm and chromium oxide covered the pre-oxidized surface, resulting in no effective bonding forming at the whole interface. Thus, surface roughness and oxide composition have a significant influence on the splat interface bonding formation.     

双界面约束下纯铝层韧脆转变行为的实验研究

利用爆炸焊及电子束焊接方法制备了含不同厚度中间纯铝层的LY12／Al／LY12四点弯曲试样，并在纯铝层中预制了平行于界面的疲劳裂纹，加载后裂纹尖端侧剖形貌的金相观察和对应断口表面的微区成分的能谱分析均确认了裂纹在纯铝层内的扩展，实验结果表明：在双界面强约束下，随着中间纯铝层厚度的减小，所测定的预裂纹试样的载荷／位移曲线表现出明显的差异；以其临界J积分表征的断裂韧性值显著降低，即纯铝层发生了韧脆转变；试样断口表面出现局部准解理花样等脆化特征，其所占比例逐渐增加；对这种约束下纯铝韧脆转变的微观机理进行了初步的探讨。     

电子束扫描对熔化区显微组织及性能的影响

为提高H13模具钢的使用寿命,采用热喷涂技术在H13钢表面制备Ni60A合金层,利用电子束扫描的方法处理表面合金层。研究电子束扫描处理对H13钢表面合金层及基体熔化区组织和性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计和磨损试验机对H13钢电子束表面合金层及基体熔化区的显微组织、成分、硬度和耐磨性进行分析测试。结果表明：经电子束扫描后,Ni60A合金层与H13钢基体完全熔合在一起,形成冶金结合,扫描处的组织形态可以分为4个区域：即熔化区、过渡区、热影响区和基体。合金层组织由层片状组织转变为短小的枝晶和柱状晶,H13钢基体熔化区的组织可分为： 熔池上部的等轴晶区、熔池中部的柱状晶区和熔池底部的枝晶区。合金层的显微硬度值为340~380 HV0.1,比未处理前Ni60A合金层的硬度有所提高,磨损形式主要为磨粒磨损和断续的较浅的犁沟磨损,在整个磨损试验过程中磨损失重很小,耐磨性得到提高。     

高能电子束处理对AZ91镁合金耐磨性影响

研究了AZ91镁合金电子束表面处理的耐磨性.结果表明,在不同处理条件下,AZ91镁合金表面分别形成了厚度为20～60μm的表面熔凝层;脉冲电流和脉冲次数对表面熔凝层厚度具有较大影响,而加速电压的影响不大.随着脉冲电流的增加, Mg_(17)Al_(12)相对应的衍射峰强度呈现上升趋势,并且在处理过的AZ91镁合金中可看到AlMg亚稳相的存在.显微硬度测试结果表明,处理层硬度比基体组织的硬度有所提高,最表层可达到基体组织的2倍.磨擦系数和表面磨损量均有不同程度下降,耐磨性明显提高主要是由于快速熔凝导致晶粒细化引起的.     

Cracking behaviour of PVD tungsten coatings deposited on steel substrates

Tungsten coatings have been deposited on steel substrates by magnetron sputtering. For the same processing conditions, the increase of the coating thickness enhances the (111) component of the crystallographic texture whereas the residual stress level decreases. Tensile and four-point bending tests, associated with an acoustic emission analysis, have been performed inside a SEM chamber in order to study the cracking mechanisms. When the residual stresses are taken into account, an intrinsic critical cracking stress and the associated energy release rate can be determined; the obtained values suggest an intergranular cracking mechanism. No debonding has been observed at the interface despite the large plastic deformation of the substrate at the crack tips. The observed strain localisation modes in the substrate near the interface have been shown to have a major influence on the limit crack density.     

离子渗氮温度对Fe-C-Cr-Ni-Mn-V沉淀硬化型奥氏体不锈钢渗层组织和性能的影响

采用离子渗氮工艺对一种Fe-C-Cr-Ni-Mn-V沉淀硬化型奥氏体不锈钢进行表面改性处理。利用光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、电子探针显微分析仪(EPMA)和维氏硬度计对不同离子渗氮温度下渗层的组织和性能进行了研究。结果表明,Fe-C-Cr-Ni-Mn-V沉淀硬化型奥氏体不锈钢经430~520 ℃离子渗氮处理10 h后,试样表面均形成一层厚度均匀的渗氮层,表面硬度显著增大。随着离子渗氮温度的升高,渗层厚度增大,520 ℃渗氮时渗层厚度达到78 μm。当渗氮温度为430 ℃时,渗层表面主要由γ_N+CrN+γ′-Fe₄N相组成;当渗氮温度升高至520 ℃时,渗层表面主要由γ′-Fe₄N+CrN+ε-Fe_2-3N相组成。在3种渗氮温度下,渗层中均有CrN析出,导致渗层耐蚀性低于基体组织。     

Surface alloying of Al films/Ti substrate based on high-current pulsed electron beams irradiation

Ti–Al surface alloy was fabricated using a cyclic pulsed liquid-phase mixing of predeposited 100 nm Al film with a-Ti substrate by low-energy high-current electron beam. Electron probe micro-analysis(EPMA),grazing incidence X-ray diffraction analysis(GIXRD),transmission electron microscopy(TEM), and nanoindentation were used to investigate the characterization of Ti–Al surface alloy. The experimental results show that the thickness of alloy layer is *3 lm, and the content of Al in the *1 lm thickness surface layer is *60 at%. The tetragonal TiAl and TiAl2intermetallics were synthesized at the top surface, which have nanocrystalline structure.The main phase formed in the *2.5 lm thick surface is TiAl, and there are few TiAl2and Ti3Al phase for the alloy.Dislocation is enhanced in the alloyed layer. The nanohardness of Ti–Al surface alloy increased significantly compared with a-Ti substrate due to the nanostructure and enhanced dislocation. Since the e-beam remelted repeatedly, the Ti–Al surface alloy mixed sufficiently with Ti substrate. Moreover, there is no obvious boundary between the alloyed layer and substrate.     

离子束增强沉积TiN薄膜界面结合强度的研究

采用划痕法测定了离子束增强沉积ＴｉＮ薄膜的界面结合力。结果表明，由于在离子束增强沉积过程中ＴｉＮ薄膜和基体之间生成一层厚约３０～４０ｎｍ的过渡层，从而大大改善了涂层的界面结合强度，其临界载荷可达１４０Ｎ，为一般ＰＶＤ和ＣＶＤ方法所生成的ＴｉＮ膜的３～４倍，并且发现它并不随膜厚的增加而变化。     

45钢电子束扫描表面W合金化组织和硬度

电子束扫描表面合金化技术可以改善钢铁材料的组织及性能. 采用等离子热喷涂技术和电子束扫描技术对45钢表面进行熔覆合金化处理. 研究电子束扫描对强化层组织和硬度的影响,探讨了电子束功率、扫描速度对强化层组织和硬度的影响规律. 结果表明,45钢经表面合金化处理后,其表面可分为合金化区、热影响区和基体区. 合金化区的显微组织为针状马氏体和碳化钨颗粒,硬度为1 250 HV,是基体硬度的5倍. 热影响区的组织为针状马氏体和铁素体,硬度为860 HV,是基体的3倍. 基体区的组织为珠光体和铁素体. 电子束工艺参数对强化层组织和硬度有较大影响,强化层厚度随电子束功率的增加而增大,随着扫描速度的增加而减小.