TiVCN复合膜的微结构、力学性能与摩擦磨损性能研究

采用多靶磁控溅射技水,分别利用不同V靶功率和石墨靶功率制备一系列不同V含量和C含量的TiVN和TiVCN复合膜.利用X射线衍射仪、纳米压痕仪、高温摩擦磨损仪研究了TiVN和TiVCN复合膜的微结构、力学性能及室温和高温摩擦磨损性能.研究表明,当V靶功率为60 W时,TiVN薄膜的硬度达到最大值,为25.02 GPa.在此基础上逐渐加入C元素,当石墨靶功率为20 W时,TiVCN薄膜的硬度达到最大值,为28.51 GPa.当石墨靶功率进一步增加,薄膜的硬度值开始逐渐降低.室温下,随着石墨靶功率的增加,TiVCN薄膜的摩擦系数逐渐减小.高温下,TiVCN复合膜的摩擦系数随着温度的升高先增加后减小,在700℃时获得最小值,当温度继续升高摩擦系数又增加.讨论了高温下TiVCN复合膜Magneli相的作用和自适应机制.     

SiC靶功率密度对无氢掺硅类金刚石薄膜摩擦学性能的影响

采用直流磁控溅射石墨靶、中频磁控溅射碳化硅靶以及离子源辅助的复合沉积技术,制备出膜层质量优异、摩擦因数和磨损率较低的具有不同Si含量的无氢掺硅类金刚石薄膜。使用XPS、拉曼光谱仪、台阶仪、纳米硬度计、SEM、EDS以及球盘式摩擦磨损试验仪测试并表征薄膜的微观结构、力学性能和摩擦学性能。研究表明,该技术能够成功制备出无氢掺硅类金刚石薄膜;随着SiC靶功率密度的增加,薄膜中Si的含量和sp3键的含量逐渐增加,其纳米硬度和弹性模量先增大后减小,摩擦因数由0.277降低至0.066,但其磨损率从6.29×10-11 mm3/Nm增加至1.45×10-9 mm3/Nm;当SiC靶功率密度为1.37W/cm2时,薄膜的纳米硬度与弹性模量分别达到最大值16.82GPa和250.2GPa。     

磁控溅射沉积BC_x薄膜的摩擦学性能

探索具有优良摩擦学性能的BCx薄膜的制备方法具有重要意义,文中采用闭合场非平衡磁控溅射碳化硼靶和石墨靶(纯度均为99.9%)的方法,在38CrMoAl齿轮钢和Si(100)表面沉积BCx薄膜,利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱、纳米压入仪、CSM摩擦磨损试验机和X射线光电子能谱仪(XPS)分别分析了BCx薄膜的结构特征、力学性能和摩擦磨损性能,得到了石墨靶电流对碳化硼薄膜结构和性能的影响规律。结果表明:相同的沉积时间内,BCx薄膜的厚度随石墨靶电流的增加逐渐增大,硬度、弹性模量逐渐降低,微观形貌的柱状结构特征越来越明显;增加石墨靶电流可以提高BCx薄膜的摩擦学性能,当石墨靶电流为2.4A时,BCx薄膜的摩擦因数稳定在0.2左右,且具有最佳的耐磨性能。     

C含量对TiWCN复合膜微结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响

采用磁控溅射仪制备了一系列不同C含量的Ti WCN复合膜.利用XRD,SEM,纳米压痕仪和高温摩擦磨损仪等对Ti WCN复合膜的微结构、力学性能和摩擦磨损性能进行了表征.结果表明:Ti WCN复合膜由fcc结构的Ti WCN相和六方结构的Ti2N相组成;随着C含量增加,薄膜硬度先升高后降低,室温摩擦系数逐渐减小,而磨损率先减小后增大.当C含量为11.25%时,硬度达到最大值,为35.97 GPa;磨损率获得最小值,为1.26×10-5mm3·N-1·m-1.当C含量为13.68%时,摩擦系数最小,为0.32.当温度低于370℃时,Ti WCN复合膜的摩擦系数和磨损率小于Ti WN薄膜;当温度超过370℃时,Ti WCN复合膜的摩擦系数和磨损率大于Ti WN薄膜.C添加到Ti WN薄膜中提高了薄膜的力学性能和常温摩擦磨损性能,而薄膜的高温摩擦磨损性能并未得到改善.     

TaMoN复合膜的微结构、力学性能与摩擦性能

采用多靶磁控溅射技术,根据不同Mo靶功率制备一系列不同Mo含量的TaMoN复合膜。利用X射线衍射仪、纳米压痕仪、高温摩擦磨损仪、扫描电子显微镜及其配套的能谱仪研究复合膜的相组成、力学性能、室温和高温下的摩擦性能。结果表明,TaMoN复合膜的微结构是由面心立方、密排六方与底心斜方组成的多相结构;TaMoN复合膜的硬度比TaN单层膜的硬度高,且随着Mo含量的增加先升高后降低,在Mo含量为52.68 at%时达到最大值,为33.9 GPa;Mo元素的添加可以有效改善TaN薄膜在常温和高温下的摩擦性能,通过对磨痕的分析,详细解释了TaMoN复合膜具有优异的减摩性能的原因。     

Zr靶功率对(WMoTaNb)ZrxN薄膜微观组织及性能的影响

目的 提高(WMoTaNb)ZrxN薄膜的硬度与弹性模量、膜基结合力、摩擦磨损及抗烧蚀性能。方法 采用反应磁控溅射技术,通过对Zr靶功率的调控,在单晶Si和M2高速钢基体上制备不同Zr含量的(WMoTaNb)ZrxN薄膜。采用FESEM对薄膜的表面及截面形貌进行观察,利用XRD对薄膜的物相组成进行分析,采用纳米压痕仪、划痕仪和摩擦磨损试验机分别对薄膜的硬度、膜基结合力及摩擦磨损性能进行表征,通过氧–乙炔烧蚀试验对薄膜的抗烧蚀性能进行测定。结果 (WMoTaNb)ZrxN薄膜主要由FCC和BCC固溶体结构组成,Zr元素引入后,薄膜FCC(200)晶面衍射峰消失,FCC(111)与(311)晶面衍射峰强度增强。随着Zr靶功率的增加,薄膜中Zr元素含量逐渐增加,薄膜的硬度与弹性模量先增大、后减小,膜基结合力呈现不规律变化,薄膜的抗烧蚀性能逐渐提升。薄膜的摩擦系数随着Zr靶功率的增加而增大,但维持在0.65~0.95。当Zr靶功率为40 W时,制备的薄膜硬度、弹性模量及膜基结合力均达到最大,分别为27.9 GPa、291.3 GPa、84 N,此时薄膜的磨痕深度最小为227 nm。结论 Zr靶功率为40 W时制备的薄膜硬度、弹性模量、膜基结合力、摩擦磨损与抗烧蚀性能最佳。     

沉积气压对杂化离子镀TiCN薄膜结构和性能的影响

TiCN薄膜在刀模具领域有着广泛的应用前景,但它的结构和性能往往随制备工艺参数的不同而有较大差异。为了研究沉积气压对杂化离子镀TiCN薄膜结构和性能的影响,找到合适的Ar和N2分压比以优化工艺参数,采用杂化离子镀技术在高速钢、硅片以及不锈钢片表面制备TiCN薄膜,通过改变沉积过程中Ar和N2的分压获得不同的薄膜。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、维氏硬度计、摩擦磨损仪、XP-2台阶仪对薄膜的物相结构、表面形貌、显微硬度、摩擦因数和沉积速率进行表征。结果表明:TiCN膜层择优生长方向主要表现为TiCN相的(111)晶面;试验中保持Ar分压为0.1Pa不变,增加N2分压,即沉积气压增大,薄膜的显微硬度先升高再降低,对应摩擦因数先降低再升高,沉积速率不断减小最终趋于平缓,而表面形貌受沉积气压变化的影响很小。     

High Temperature Tribological Properties of Ti-GLC Films Deposited on Different Bearing Steel SubstratesEI北大核心CSCD

针对航空发动机主轴轴承服役工况恶劣和类石墨碳基薄膜在高温环境下的性能研究不足等问题,采用磁控溅射技术在不同轴承钢基体(M50 钢、M50NiL 钢和 W9Cr4V2Mo 钢)上沉积 Ti-GLC 薄膜,探究在不同温度下的摩擦学性能。采用 SEM、 Raman 分析薄膜的微观结构,采用纳米压痕仪、划痕仪等测试其力学性能,利用 MFT-5000 型多功能摩擦磨损试验机测试所镀薄膜在不同温度下(室温、200 ℃、250 ℃和 300 ℃)的摩擦学性能。结果表明：在三种不同轴承钢基体沉积的 Ti-GLC 薄膜,其硬度和弹性模量变化不大,结合力从大到小依次为 M50＞M50NiL＞W9Cr4V2Mo。随着温度的升高,三种钢基体沉积 Ti-GLC 薄膜的摩擦因数均逐渐增大,而磨损率则先减小后增大,且表现出不同的磨损形式。三种轴承钢基体沉积 Ti-GLC 薄膜的最佳工作温度区间为室温~200 ℃,M50 钢基体所镀薄膜具有更好的力学性能和摩擦学性能,其结合力达到 80 N 以上, 300 ℃时的平均摩擦因数为 0.125,磨损率仅为 3.05×10^?17 m³ /(N·m)。研究成果为类石墨碳基薄膜在高温环境下的实际应用奠定了理论基础。     

65Mn钢表面溅射TiAlN和CrAlN复合膜制备及性能研究

采用磁控溅射在65Mn钢基体表面分別制备了不同Al含量(≤40at%)的TiAlN和CrAlN复合膜,研究了Al含量对TiAlN和CrAlN复合膜性能的影响,并对溅射前后摩擦磨损性能进行了对比。采用X射线衍射、扫描电镜、能谱仪(EDS)、纳米硬度仪和高温摩擦磨损试验机,系统分析了Al含量对TiAlN和CrAlN复合膜微结构、力学性能和高温摩擦磨损性能的影响。结果表明,复合膜均为面心立方结构,且呈(111)择优取向生长。随Al含量增加,晶格常数逐渐减小,而硬度逐渐增大。室温下材料的摩擦因数为0.6~0.7,300℃条件下摩擦因数为0.6~0.8,600℃条件下摩擦因数为0.4~0.9;表面溅射Ti_(0.6)Al_(0.4)N和Cr_(0.62)Al_(0.38)N后,其室温耐磨性分別是65Mn钢的1.7倍和2.0倍,300℃下耐磨性分別为65Mn钢的2.7倍和3.0倍,600℃下耐磨性分別为65Mn钢的3.5倍和4.0倍。     

铬掺杂碳基自润滑薄膜与铝合金的高温磨损机理

为了研究不同结构铬掺杂碳基薄膜在高温下与铝合金的磨损机理,采用非平衡磁控溅射在YT15刀具表面沉积Cr/CrC/DLC单周期和Cr/(CrC-DLC)_n多周期多层膜,在24、200和400℃下与A319和A390铝合金进行摩擦试验。采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、纳米压痕仪、拉曼光谱仪、销盘磨损仪对薄膜的形貌结构、力学和摩擦学性能进行测试。研究表明:多周期多层膜结构打断薄膜柱状生长,提高膜基结合力。两种薄膜表面粗糙度和硬度分别为4.3 nm和5.4 nm、9.8 GPa和9.0 GPa。磨球表面转移层由硅、石墨以及剥落的薄膜碎片组成,连续的转移层降低摩擦因数;但随着温度升高,转移层的连续性被破坏,导致摩擦因数升高。在高温摩擦过程中,多周期多层膜磨损逐渐释放出DLC子膜层,通过DLC子膜层的石墨化转变来保持低摩擦因数,提高薄膜寿命。薄膜磨损由室温的磨料磨损转变为高温的粘着磨损和犁沟磨损,其中由于A390含有初晶硅使磨损以犁沟磨损为主。