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。     

调制周期对CrAl/CrAlN多层薄膜结构及耐腐蚀性能的影响

采用中频非平衡磁控溅射技术制备CrAl/CrAlN多层薄膜,研究了调制周期对CrAl/CrAlN多层薄膜的微观结构、机械性能和耐腐蚀性能的影响。研究表明:CrAl/CrAlN多层薄膜具有致密的层状结构。随着调制周期的增大,薄膜应力由拉应力转变为压应力,当调制周期为285.7nm时,CrAl/CrAlN多层薄膜的硬度出现了极大值。此外,调制周期对薄膜的耐腐蚀性能有显著的影响。经过96h盐雾(3.5%NaCl)试验,调制周期为142.8nm的CrAl/CrAlN多层薄膜依然没有发生腐蚀现象,表明此条件下CrAl/CrAlN薄膜具有优异的耐腐蚀性能。     

Ti-Al-Si-N多层梯度涂层的微观结构及力学性能研究

目的 分析Ti-Al-Si-N多层梯度涂层微观结构特征和力学性能,得到涂层强化机制.方法 采用阴极电弧离子镀镀膜工艺,使用4个靶材交替沉积的方式,分别在高速钢和Si基底上制备Ti-Al-Si-N多层梯度涂层.采用X射线衍射仪(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)和纳米压痕仪对Ti-Al-Si-N多层梯度涂层晶相组织、微观结构和力学性能进行了表征.结果 Ti-Al-Si-N多层梯度涂层中主要相为(Ti,Al)N晶相,择优取向(200).Ti-Al-Si-N多层梯度涂层由TiN、TiAlN、TiAlSiN三种层区组成,层区厚度分别为41.7、1458.3、1450 nm.通过HRTEM实验观察TiN、TiAlN层区结构发现,在TiAlN层区内部形成了TiAlN/TiN周期变化的结构,证实为TiAlN/TiN纳米多层涂层微结构特征,其中TiN调制层为1 nm左右,TiAlN调制层约为0.5 nm,调制周期约为1.5 nm.此外,发现TiAlN层区存在nc-TiAlN/α-Si3N4结构,TiAlN晶粒大约为6 nm左右,非晶层Si3N4大约为2～3 nm.制备的Ti-Al-Si-N多层梯度涂层硬度为27.7 GPa,弹性模量为338.0 GPa.结论 构建了Ti-Al-Si-N多层梯度涂层示意图,对于涂层的强化机制,可以用模量差理论、交变应力场理论及nc-TiN/α-Si3N4模型进行说明,其主要强化机制为nc-TiN/α-Si3N4模型理论.     

调制周期对TiN/TiAlN多层薄膜微观结构和摩擦性能的影响

采用电弧离子镀方法制备了TiN/TiAlN多层薄膜,研究了调制周期对薄膜多层结构和摩擦磨损性能的影响。结果表明:在相同的沉积时间内,随调制周期的增加,多层薄膜的层数减少,每一层的厚度增加,层与层之间的区分更加清晰。摩擦磨损测试结果表明:由于多层薄膜的调制结构,引起薄膜对磨层的变化,当多层薄膜的调制周期为54 nm时,多层薄膜的摩擦系数最小;当调制周期为112 nm时,多层薄膜的摩擦系数最高;当调制周期为164 nm时,多层薄膜的磨痕宽度最小。在摩擦磨损过程中,GCr15钢球的磨损面一直处于快速磨损阶段,对磨痕能谱线扫描结果发现磨屑的主要成分是Fe和FeOx。     

调制周期对磁控溅射WB2/CrN多层薄膜力学性能的影响

目的研究调制周期对磁控溅射WB_2/CrN多层膜结构及性能的影响。方法通过双靶直流磁控溅射法,在硅片、石英玻璃片及不锈钢上,制备Al B_2型WB_2薄膜与CrN薄膜及其多层复合薄膜,采用X射线衍射及扫描电子显微镜对其相结构及形貌进行观察和分析,使用维氏显微硬度仪及划痕仪对多层膜的硬度及膜基结合力进行研究。结果磁控溅射WB_2/CrN多层薄膜呈现出柱状生长趋势,且层状结构明显,仅当调制周期大于317 nm时,多层膜中才出现WB_2晶体的衍射峰。结论多层膜中的WB_2薄膜在本实验条件下的临界结晶厚度大于150 nm。随着调制周期的减小,CrN层生长取向发生由(200)晶面向多晶面的转变,WB_2层生长取向由(101)晶面向(001)晶面转变。多层膜硬度随调制周期的减小大体呈下降趋势,在调制周期为317 nm时达到最大值。结合力变化趋势与硬度相反,CrN层及多层界面有助于复合薄膜膜基结合强度的提高。     

调制周期对TiN/Ti多层膜组织结构和结合力的影响

为了阐明调制周期对薄膜微观组织及薄膜与基体结合力的影响,采用反应磁控溅射在Ti6Al4V基板上交替沉积了Ti层及TiN层制备了TiN/Ti多层膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度仪和划痕仪测量分析了薄膜的晶体结构、微观组织、硬度以及薄膜与基体之间的结合力。研究结果表明:TiN/Ti多层膜中均存在TiN,Ti和Ti2N 3种相。TiN/Ti多层膜均以柱状晶方式生长,在调制周期较大(5层)时,TiN和Ti层的界面清晰;随着调制周期的减小(层数增加),TiN和Ti层的界面逐渐消失。与单层TiN薄膜相比,多层TiN/Ti薄膜的硬度显著提高;但随着薄膜层数的增加,多层TiN/Ti薄膜硬度略微降低。当调制周期为80nm(30层)时,薄膜与基体的结合力明显提高,达到73N。     

调制周期对Cr/CrN纳米多层膜的结构与性能的影响

采用多弧离子镀技术在65Mn钢表面制备了不同调制周期的Cr/CrN纳米多层膜.采用俄歇能谱仪(AES)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米硬度仪、轮廓仪和划痕仪,分析了不同调制周期Cr/CrN纳米多层膜的成分分布、微观结构、力学性能、残余应力和结合强度.结果表明,Cr/CrN纳米多层膜的表面平整致密,截面层状调制结构清晰,其调制结构为Cr层-过渡层-CrN层的"三明治"结构,调制比约为1∶ 1.多层膜由CrN、Cr2N和Cr相组成,在CrN(200)方向上出现择优取向.当调制周期为80 nm时,多层膜的硬度值相对较高.随调制周期的增大,Cr/CrN多层膜的残余应力值减小,结合强度值先增大后减小.当调制周期为120 nm时,涂层的划痕临界载荷值相对较高,为69 N.     

TiN/CrN多层薄膜的微观结构与力学性能（英文）

为了研究TiN/CrN多层薄膜微观结构与力学性能的关系,采用磁控溅射技术制备了TiN、CrN单层薄膜和3种不同调制周期的TiN/CrN多层薄膜。通过原子力显微镜和X射线衍射仪分析了膜的表面形貌和相结构。使用纳米压痕仪测试薄膜的硬度和压入塑性,用曲率法测定薄膜的残余应力。结果表明,TiN/CrN的多层薄膜是由TiN和Cr_2N两相组成,随着调制周期的增大,TiN层与CrN层之间的界面区域变小,界面平滑且明显。力学性能方面,多层薄膜的硬度和压入塑性比单层膜好,并且多层薄膜随调制周期的减小,硬度和压入塑性增大,残余应力随周期的增加而逐渐增大。综上可见,TiN/CrN多层薄膜的力学性能的改善取决于界面区域的大小和形貌,即调制周期。该结论与Hall-Petch理论相吻合。     

基于X射线反射研究溅射工艺对CrAlN/TiAlN周期膜界面结构的影响

为研究X射线反射技术在纳米多层膜界面微结构表征中的应用,采用反应磁控溅射技术在单晶硅基片上制备CrAlN/TiAlN纳米周期膜,利用X射线反射技术系统研究溅射工艺参数对CrAlN/TiAlN纳米周期膜界面微结构的影响规律。结果表明:增加铝靶功率可提高膜层的溅射速率和降低膜层的界面粗糙度,然而较高的铝靶功率会使膜层界面出现严重的弥散;较大和较小的负偏压都不利于形成完整的周期膜调制结构和光滑的界面;提高Ti/Cr靶电流可有效改善周期膜的调制界面结构,但太大的靶电流会导致膜层间扩散加重,形成弥散界面。N2流量与Ar流量对膜层界面粗糙度具有相反的影响作用。试验得到的优化工艺参数为:铝靶功率80W,溅射负偏压-200 V,Ti/Cr靶电流0.2A,N2流量30cm~3/min,Ar流量10cm~3/min。     

TiN/CrN多层薄膜微观结构与力学性能的研究

近些年来,TiN/CrN多层薄膜由于其优良的力学性能被广泛应用于表面防护,提高零部件性能和使用寿命等方面。为了研究TiN/CrN多层薄膜微观结构与力学性能的关系,本文采用磁控溅射技术制备了TiN、CrN单层薄膜和三种不同调制周期的TiN/CrN多层薄膜。通过原子力显微镜和X射线衍射分析了膜的表面形貌和相结构。使用纳米压痕仪测试薄膜的硬度和压入塑性,曲率法测定薄膜的残余应力。结果表明,TiN/CrN的多层薄膜是由TiN和Cr2N两相组成,随着调制周期的增大TiN层与CrN层之间的界面区域变小,界面平滑且明显。力学性能方面,多层薄膜的硬度和压入塑性比单层膜好,并且多层薄膜随调制周期的减小硬度和压入塑性越大,残余应力随周期性的增加而逐渐增大。综上可见,TiN/CrN多层薄膜的力学性能的改善取决于界面区域的大小和形貌,即调制周期,该结论与Hall–Petch理论相吻合。