多弧离子镀制备CrAlSiN/TiAlSiN纳米涂层的结构和性能研究

目的研究调制周期对CrAlSiN/TiAlSiN纳米复合涂层结构和力学性能的影响。方法采用多弧离子镀技术,以AlCrSi靶和AlTiSi靶作阴极弧靶材料,通过改变衬底的转速(转速分别为2、4、6、8r/min)来调整涂层结构的周期,制备不同调制周期CrAlSiN/TiAlSiN纳米复合涂层。用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜和原子力显微镜,测量了涂层的组织结构、化学成分、表面及截面形貌,用显微硬度计、划痕试验仪和摩擦仪测量了不同调制周期的涂层的力学性能。结果不同转速下,CrAlSiN/TiAlSiN纳米复合涂层具有相同的晶相结构,包含CrAl、CrN和TiN,其中Al元素几乎全部固溶在CrAl相中。Si元素在涂层中以非晶相的形式存在或被非晶化合物所包裹。随着转速的增大,复合涂层的硬度呈现先增大后减小的趋势,而摩擦因数与均方根粗糙度则呈现出先减小后增大的趋势,即硬度越大,摩擦因数和均方根粗糙度越小。结论CrAlSiN/TiAlSiN纳米复合涂层的硬度和摩擦因数受调制周期的影响较大。当转速为6r/min时,制备的涂层具有最大的显微硬度(38GPa)和最小的摩擦因数(0.375)。     

溅射技术对TiN涂层结构和力学性能的影响

目的 沉积条件对Ti N涂层的组织结构和力学性能有着至关重要的影响,而溅射技术又决定了涂层的沉积条件,探究不同溅射技术对Ti N涂层的微观组织结构和性能的影响,提高Ti N涂层的力学性能和高温摩擦磨损性能。方法 采用不同的溅射技术(dcMS、Hi PMS、Hybrid)在M2高速钢表面沉积Ti N涂层,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、sin²ψ法、纳米压痕仪、洛氏压痕法、划痕法和CSM球盘式摩擦试验机分别测试了Ti N涂层的组织结构特征、沉积速率、残余应力、纳米硬度、膜基结合力和高温摩擦磨损性能。结果 不同溅射技术制备的Ti N涂层均为柱状晶结构和Ti N (111)择优取向。HiPIMS-TiN涂层具有最高的纳米硬度(29.7GPa)和最低的膜基结合力(HF2),而Hybrid-TiN涂层呈现出最小的残余应力、高沉积速率和高膜基结合力,其膜基结合力达到HF1级,临界载荷(Lc2)达到82.5 N。不同溅射技术制备的Ti N涂层的摩擦因数均随着温度的升高而降低,在500℃时,Ti N涂层的摩擦因数约为0.53。Ti N涂层的磨损率随着温度的升...     

不同调制周期WS_x/a-C多层膜的组织结构及摩擦学特性

采用磁控溅射法交替溅射WS2和石墨靶制备周期为4~23 nm的WSx/a-C纳米多层膜。采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子谱(XPS)等分析薄膜的组织结构和元素的化学价态;采用纳米压痕仪、涂层附着力划痕仪和球盘式摩擦磨损试验机测试薄膜的硬度、结合力和在潮湿大气下(相对湿度70%)的摩擦磨损特性。结果表明:多层膜结构致密,表面平整。a-C的加入改变WS2的结晶状态,多层膜为微晶或非晶结构;随着调制周期的增大,多层膜的硫与钨摩尔比逐渐降低并趋于稳定(约为1.32),其硬度稍有上升,而结合力明显降低,摩擦因数由0.32降至0.26,而磨损率逐渐上升但显著低于纯WSx膜的。调制周期为4 nm的多层膜的耐磨性能最佳,磨损率约为1.03×10-13 m3·N-1·m-1。     

真空阴极多弧离子镀沉积纳米超硬氮化钛薄膜

利用真空阴极多弧离子镀系统在Cr12Mo4V钢基材上制备出膜基间结合很好的纳米超硬氮化钛(TiN)薄膜.利用纳米硬度计、划痕仪、球一盘试验机、X射线衍射仪、透射电子显微镜和扫描电子显微镜分别考察了薄膜的纳米硬度、膜基间结合力、摩擦磨损性能和显微结构.结果表明,气体压力和脉冲基体负偏压对薄膜性能有重要影响;超硬TiN薄膜的纳米硬度为47.6 GPa、临界载荷为63 N、摩擦因数在0.5至0.8之间;结构细密的超硬薄膜在(111)晶面有强烈的择优取向.     

Ti(C,N)复合膜和TiN/Ti(C,N)多层膜组织和显微硬度

采用非平衡反应磁控溅射的方法在Si(100)基片上沉积Ti(C,N)复合膜和不同调制周期、调制比的TiN/Ti(C,N)纳米多层薄膜。薄膜的微观结构和力学性能采用X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计进行表征。结果表明,Ti(C,N)复合膜的微观结构和力学性能与掺入C的含量有关;TiN/Ti(C,N)纳米多层膜的微观结构和力学性能与调制周期和调制比有关,其显微硬度在一定的调制周期和调制比范围内出现了超硬现象。Ti(C,N)、TiN/Ti(C,N)均为δ-NaCl面心立方结构;Ti(C,N)复合膜显微硬度提高是因为固溶强化,TiN/Ti(C,N)纳米多层膜硬度的提高主要是共格外延生长在界面处产生的交变应力场。     

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。     

WS2/TiB2固体润滑涂层的结构及摩擦性能

运用多靶磁控溅射技术,将软质相的WS2靶与硬质相的TiB2靶共溅射制备出WS2/TiB2固体自润滑复合涂层。运用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对涂层截面的形貌及结构进行表征,并用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机测试了涂层的硬度和摩擦磨损性能。结果表明,WS2/TiB2复合涂层截面的组织结构为柱状晶,且呈现TiB2（001）择优取向,当WS2靶功率从20 W增加至50 W时,TiB2（001）衍射峰强度逐渐减弱,半高宽变宽,导致涂层的平均晶粒尺寸变小。当WS2的功率超过60 W时,涂层的相结构发生由晶态到非晶态的转变。WS2/TiB2涂层具有较高的硬度（>20 GPa）和较低的摩擦因数(约0.2),即使是在相对湿度增加至50%的条件下,WS2溅射功为40 W时,WS2/TiB2复合涂层仍旧具有非常低的磨损率6×10-16 m3/(N·m),优于M2钢300多倍。     

真空热处理对多弧离子镀TiAlSiN涂层性能的影响

为提高TiAlSiN涂层的力学性能,研究了真空热处理对多弧离子镀TiAlSiN涂层微观组织和力学性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、自动划痕仪、纳米压痕仪、摩擦磨损测试仪等表征其表面形貌、物相组成和力学性能。结果表明:热处理引起了涂层的晶格畸变,降低了TiN固溶体相的平均晶格常数,导致其衍射峰向高角度偏移;热处理会粗化涂层表面,并导致TiAlSi中间过渡层界面消失。经过800℃热处理后,涂层的纳米硬度和结合力达到最大值,分别为35.01 GPa和54.45 N;涂层的平均摩擦因数最小,由热处理前的0.679降低至0.372,比热处理前下降了约45.2%。     

电弧离子镀制备TiBN纳米复合涂层

目的在纯N_2气氛环境下,低温制备TiBN纳米复合涂层,为TiBN涂层工业化生产积累科学数据。方法采用离子源增强阴极电弧离子镀系统,在硬质合金衬底上制备TiBN纳米复合涂层,系统研究了N_2气压对TiBN涂层晶体结构、表面形貌、硬度和耐磨性能的影响。结果 N_2气压对TiBN纳米复合涂层的晶体结构、表面形貌、硬度及摩擦系数的影响明显。随着N_2气压的升高,TiBN涂层中的TiN晶相逐渐增多,TiB_2晶相逐渐减少,为TiN晶粒和TiB_2晶粒镶嵌于非晶BN基体的复合结构。在0.5 Pa气压下,涂层硬度达3150HV。对于对磨材料硬质合金而言,TiBN涂层的摩擦系数为0.4左右。结论离子源增强电弧离子镀技术可以用于TiBN涂层的制备,制备出的TiBN涂层为纳米晶镶嵌于非晶的纳米复合涂层,涂层的显微硬度较高。在TiBN纳米复合涂层的工业化生产中,沉积N_2气压不宜偏高。     

CrAlN纳米梯度涂层的组织结构与性能研究

目的 研究Al靶功率对CrAlN纳米梯度涂层组织结构和力学性能的影响.方法 采用磁控溅射与电弧离子镀复合技术,通过保持Cr靶电流不变、Al靶功率线性增加(0.6～2.2、0.6～2.4、0.6～2.6 kW)的方法,制备了三种不同表面Al含量的CrAlN纳米梯度涂层.利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、纳米压痕仪、划痕仪和高温马弗炉,表征CrAlN纳米梯度涂层的组织结构、成分、力学性能和抗高温氧化性能.结果 当Al靶线性末端功率小于2.4 kW时,涂层的主要相结构为fcc-(Cr,Al)N,择优取向为(111)晶面,而Al靶线性末端功率增大为2.6 kW时,涂层中出现hcp-AlN相.随着Al靶线性末端功率的增加,涂层的硬度和结合力先减小、后增大.Al靶线性末端功率为2.4 kW条件下制备的CrAlN涂层在800℃氧化1 h后,晶粒发生轻微粗化,表面发生微小的氧化,并出现了裂纹,但涂层主要相结构依然为fcc-(Cr,Al)N.结论 当Al靶线性末端功率为2.4 kW时,CrAlN纳米梯度涂层具有最高的硬度(31.3 GPa)和最好的膜基结合力(88 N),表现出较好的抗高温氧化性能.     

工作气压对TiBN/TiAlSiN纳米多层涂层的结构和性能影响

为应对高速干式切削、工磨具行业对新型防护涂层的需求,制造高硬度、耐摩擦磨损的纳米复合涂层具有巨大的市场前景。 采用阴极多弧离子镀技术,在不同的工作气压下用 TiB2 和 TiAlSi 合金靶作为阴极蒸发靶材,在硬质合金衬底上分别沉积了 TiBN,TiAlSiN 涂层和 TiBN/ TiAlSiN 多层涂层。 借助于 XRD、 XPS、 SEM、 AFM 和 HRTEM 对涂层的成分、形貌及微观结构进行表征分析。 并用纳米压痕硬度计和球盘式摩擦测试仪分别研究了涂层的硬度和摩擦磨损性能。 研究结果表明:TiBN/ TiAlSiN 涂层呈现一种非晶相包裹纳米多晶相的微观结构形态,工作气压越高,涂层表面越趋于光滑;涂层在 1. 0 Pa 工作气压下涂层显微硬度值达到 38 GPa;在 2. 0 Pa 的工作气压下,涂层显微硬度值约 34 GPa,摩擦因数低于 0. 29。 与 TiBN 和 TiAlSiN 涂层相比,TiBN/ TiAlSiN 纳米多层涂层的机械、摩擦学性能更加优越,这为应用在干式切削、磨削工具领域的硬质润滑多层涂层的制备与研究指明了一条方向。     

纳米复合Ti-B-N薄膜的结构和摩擦学性能

研究了射频等离了体辅助化学气相沉积（PCVD）技术获得的Ti-B-N薄膜的组织结构和力学性能。结果发现，B元素的加入使薄膜中出现TiN纳米晶和BN非晶（nc-TiN／a-BN）的复合结构，其硬度显著高于TiN薄膜，最高可达40GPa。用球盘式摩擦磨损实验考察了薄膜的磨损特性。结果表明：与TiN薄膜相比，Ti-B-N薄膜抗磨损性能有显著提高，磨损机制与TiN薄膜不同，摩擦系数较TiN稍高。     

TiN基纳米复合超硬薄膜的摩擦磨损特性

分别用磁控溅射、脉冲直流和射频等离子体辅助化学气相沉积(PCVD)技术得到了TiN、TiSiN、TiBN及Ti-C-N纳米复合超硬薄膜。用球盘式摩擦磨损试验考察了各种薄膜的磨损特性。结果表明此类纳米复合超硬薄膜的抗磨损性能比单纯的TiN薄膜有显著提高,但复合薄膜的室温摩擦因数较高,高温下摩擦因数也仅有轻微降低,可能由于表层生成减摩氧化层所致。特别对于TiSiN薄膜,随薄膜中Si含量的上升,其耐磨损性能有所下降。     

304不锈钢表面单层/多层TiN基涂层制备及耐磨蚀性能研究

目的探究钢基表面TiN基涂层在海洋环境中的耐磨蚀性能。方法采用电弧离子镀技术,在304不锈钢和单晶硅表面分别沉积TiN、TiBN、TiBN/TiN涂层,并对3种涂层样品的表面–截面形貌、摩擦系数、在人工海水中的电化学性能和摩擦腐蚀行为进行测试。结果形貌表征和干摩擦测试结果显示,TiBN和TiBN/TiN涂层有着比TiN柱状晶更加致密的微观结构,3种涂层的摩擦系数相差不大,比304SS的摩擦系数低。在人工海水环境中的电化学测试结果表明,TiBN/TiN涂层的耐腐蚀性能最佳,TiBN涂层次之,TiN涂层则表现出比304不锈钢基底更差的耐腐蚀特性。在发生摩擦腐蚀的过程中,3种涂层的电位（OCP）均发生了下降。结论利用电弧离子镀技术在304不锈钢表面沉积的单层/多层TiN基涂层,在人工海水环境下,发生的摩擦会增加涂层发生腐蚀的趋势,结构致密,表面易形成钝化膜的涂层,其耐磨蚀性较好。     

硼含量对Ti-B-N纳米复合涂层显微结构与性能的影响

将硼加入Ti－N涂层,使用活化离子镀制备出了硼含量为（5～16）at％的Ti－B－N涂层,并着重研究了硼含量对Ti－B－N涂层结构与性能的影响。EPMA与AES分析表明,Ti－B－N涂层元素Ti、B、N在涂层内分布均匀,但在膜／基界面处有一界面扩散区。TEM显微分析表明,Ti－B－N涂层为致密微细的纳米晶多相复合结构,晶粒度不超过50nm。XRD与XPS综合分析表明,Ti－B－N涂层主要由面心立方TIN、简单正交TiB、立方BN与简单六方Ti－B－N相组成,且随着硼含量的增加,含硼相含量增加。Ti－B－N涂层的硬度、韧性与附着强度等力学性能比相应的Ti－N涂层要好得多,且其沉积温度更低。     

Microstructure and Tribological Properties of TiB2/TiB/TiNx（x=1,0.3）/Ti Composite Coating Produced on Pure Ti by Laser Surface Alloying

TiB2/TiB/TiNx(x=1,0.3)/Ti composite coating was prepared on pure Ti by laser surface alloying by using powders of boron as starting materials.The composite coating was examined by X-ray diffraction(XRD),high-resolution transmission electron microscopy(HRTEM)and scanning electron microscopy(SEM).The friction and wear properties of the composite coating were examined using a pin-on-disk tester under dry sliding wear condition.The results showed that the top surface of the composite coating was mainly composed of TiB2,TiB,TiN0.3,TiN and Ti phases,while the interface of the composite coating was composed of TiB and Ti phases.The composite coating showed sticklike structure near the top surface,and dendrites structure near the interface.The friction and wear test showed that the composite coating had better wear resistance than pure Ti due to their higher microhardness than that of pure Ti substrate.     

射频等离子体辅助化学气相沉积Ti-B-N薄膜的结构与性能

研究了射频等离子体辅助化学气相沉积获得的Ti-B-N薄膜的微观组织结构和力学性能.结果表明:B的加入使Ti-B-N薄膜中出现TiN纳米晶、BN非晶和TiB2非晶(nc-TiN/a-BN/a-TiB2)的复相结构.Ti-B-N薄膜组织致密,晶粒细小,薄膜硬度显著提高.用球盘式磨损实验考察了薄膜的摩擦学特性.与TiN相比,Ti-B-N薄膜抗磨损性能有显著提高,磨损机制为微观切削与疲劳磨损共同作用,但摩擦系数较TiN稍高.     

Structure-property-performance relations of high-rate reactive arc-evaporated Ti-B-N nanocomposite coatings

This study demonstrates the successful synthesis of hard and wear resistant nanocomposite Ti-B-N coatings by high-rate reactive arc-evaporation from Ti/B compound targets in a commercial industrial-sized deposition chamber. Morphological investigations by profilometry and scanning electron microscopy indicate that the coatings exhibit a lower droplet density as compared to a TiN reference as well as a compositionally graded multilayer structure. These results will be related to the previously reported microstructural characterization, which revealed a highly stressed nanocrystalline TiBN solid solution formed at lower N₂ fractions and a stable TiN/(amorphous) BN dual-phase structure obtained at higher N₂ partial pressures. Emphasis is further laid on mechanical and tribological characterization. A maximum hardness of 34.5 GPa is detected for the TiBN solid solution decreasing to 24 GPa for the coatings containing approximately 30-40 vol.% amorphous BN. The maximum in hardness coincides with the minimum in wear, while the coefficient of friction is fairly constant at 0.7-0.8.