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.     

自支撑Ti/Al纳米多层膜激光诱发自蔓延行为

通过磁控溅射法并借助有机高分子牺牲层,制备了具有不同调制结构的自支撑Ti/Al(调制比为1)纳米多层膜.采用脉冲激光诱发了纳米多层膜的自蔓延反应,确定了临界诱发能量密度.利用高速摄影法表征了自蔓延速度,采用SEM和TEM观察了纳米多层膜结构,利用差热分析仪和XRD分析了反应过程及产物.结果表明,纳米多层膜激光诱发临界能量密度(6~17 J/cm2)高于烧蚀临界能量密度.调制周期或周期数较小的纳米多层膜激光诱发所需的能量密度较小且自蔓延速度较高.但当调制周期接近或小于层间原子互溶区厚度时,临界能量密度和自蔓延速度的变化则有相反趋势.对于一定厚度的纳米多层膜,具有大调制周期和小周期数的调制结构对应的放热量大.随激光脉冲持续时间的延长,Ti/Al纳米多层膜的激光临界诱发能量密度呈现递减趋势,但最终趋于稳定.激光诱发Ti/Al纳米多层膜自蔓延反应生成单一的TiAl金属间化合物.     

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。     

Cu/X(X=Cr,Nb)纳米多层膜力/电学性能的尺度依赖性

利用纳米压痕实验以及四探针法,系统研究了相同层厚Cu/X(X=Cr,Nb)纳米金属多层膜的力学性能(强/硬度)和电学性能(电阻率)的尺度依赖性.微观分析表明:Cu/X多层膜调制结构清晰,Cu层沿{111}面择优生长,X层沿{110}面择优生长.纳米压入结果表明,Cu/X多层膜的强度依赖于调制周期,并随调制周期的减小而增加.多层膜变形机制在临界调制周期(λ~c≈25 nm)由Cu层内单根位错滑移转变为位错切割界面.多层膜的电阻率不仅与表面/界面以及晶界散射相关,而且在小尺度下受界面条件显著影响.通过修正的FS-MS模型可以量化界面效应对多层膜电阻率的影响.Cu/X纳米多层膜可以通过调控微观结构实现强度-电导率的合理匹配.     

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。     

纳米调制周期对CrWN/MoN纳米多层涂层结构和性能的影响

目的 研究纳米调制周期对CrWN/MoN纳米多层涂层结构及性能的影响。方法 采用电磁永磁共控的阴极电弧离子镀技术，使用纯N2和合金CrW靶及纯金属Mo靶，制备不同调制周期厚度的CrWN/MoN纳米多层涂层，对CrWN/MoN纳米多层涂层的物相结构、微观形貌、硬度、摩擦系数和磨损率等进行分析。结果 CrWN/MoN纳米多层涂层由面心立方CrWN与六方d-MoN两相组成。随着调制周期减小，CrWN/MoN纳米多层涂层衍射峰强度逐渐减弱，d-MoN(202)衍射峰消失，涂层表面的大颗粒数量减少，表面质量得到改善。随着调制周期由45 nm减小到13 nm，涂层的硬度由29.4 GPa逐渐减小到25.5 GPa，当调制周期为8 nm时，CrWN/MoN纳米多层涂层硬度与弹性模量均达到最大值，分别为30.2 GPa和354.6 GPa。随着调制周期的减小，CrWN/MoN纳米多层涂层平均摩擦系数由0.45逐渐减小到0.29，磨损速率由4.2×10^?7 mm³/(N.m)逐渐减小到3.3×10^?7 mm³/(N.m)。结论 调制周期对CrWN/MoN纳米多层涂层性能影响较大，调制周期厚度为8 nm时，CrWN/MoN纳米多层涂层的硬度最大，耐磨性能最好。     

多弧离子镀制备TiN/TiBN纳米复合涂层的结构和性能

为了满足复合材料高速切削加工的需要,用金属Ti靶和纯TiB2靶作为靶材料,在N2气氛下用多弧离子镀方法制备了TiN/TiBN纳米复合涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)分析涂层的组织结构、成分和表面形貌;利用显微硬度计、划痕仪和球盘摩擦仪分析调制周期对涂层力学性能的影响。结果表明:TiN/TiBN纳米复合涂层的调制周期范围为5.5~21nm,主要成分为晶相TiN、非晶BN和TiB2;调制周期对涂层的力学性能有较大的影响,随着调制周期的减小,硬度增加,调制周期最小时最大硬度达到29GPa;最大膜基结合力为88N,且所有样品均表现出较高的膜基结合力。随着转速的增大,摩擦因数与表面粗糙度两者表现出相同的变化趋势,摩擦因数最大值为0.31,其低摩擦因数与自润滑的BN相的存在有关。调制周期减少,界面积增加,TiN/TiBN纳米复合涂层的力学性能增强。     

Cu-Cr纳米金属多层膜屈服强度/硬度的尺寸依赖性

采用磁控溅射方法分别在聚酰亚胺基体以及单晶硅基体上制备恒定调制比(η)以及恒定调制周期(λ)的Cu-Cr纳米金属多层膜;通过单轴拉伸试验以及纳米压痕试验系统研究Cu-Cr多层膜屈服强度及硬度的尺度依赖性。微观分析结果表明:基体对多层膜的微观结构无影响,Cu-Cr多层膜在生长方向上均呈现Kurdjumov-Sachs取向关系,即{111}Cu//{110}Cr和-110-Cu//-111-Cr。力学测试结果表明:调制比恒定的Cu-Cr多层膜的屈服强度及硬度随调制周期的缩短而增加;调制周期恒定的Cu-Cr多层膜的屈服强度/硬度随调制比的增加而增加。Cu-Cr多层膜变形机制在临界调制周期(λc≈25 nm)和临界调制比(ηc≈1)由Cu层内单根位错滑移转变为负载效应。     

AlCrN/VN多层涂层力学性能及其热稳定性

目的制备高硬度自润滑AlCrN/VN纳米多层复合涂层,提升刀具耐磨性,增加刀具寿命。方法采用多弧离子镀技术在单晶硅(100)、不锈钢以及硬质合金基底上沉积不同调制周期的Al Cr N/VN纳米多层涂层,系统研究涂层力学性能、滑动摩擦性能及高温稳定性。涂层制备采用Al_(70)Cr_(30)合金和单质V靶材,EDS结果显示涂层Al/Cr比例接近靶材成分,V元素原子比约为30%。利用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及X射线衍射技术(XRD)表征涂层显微结构,采用显微硬度仪以及滑动摩擦试验研究涂层硬度以及摩擦性能随调制周期的变化。最后对调制周期为24nm的涂层进行氧化实验,并测试其硬度与摩擦系数。结果沉积涂层厚度以及相组成几乎不受调制周期的影响。沉积涂层硬度与调制周期紧密关联,摩擦系数随着调制周期的减小而逐渐降低。当调制周期为24 nm时,涂层获得最大硬度,为3970HV_(0.05),此时涂层表面最为光滑(Ra=33.6 nm)。对调制周期为24 nm的多层涂层进行不同温度下空气氧化并测定其硬度与摩擦系数,结果表明硬度随着氧化温度升高到400、500、700℃而下降至1474、1248、370HV_(0.05),摩擦系数随之大幅度升高。结论 VN涂层的加入使得AlCrN涂层硬度降低,摩擦系数降低,且其硬度以及摩擦系数受到调制周期的显著影响,涂层经400℃氧化后,硬度值大幅度降低,热稳定性不好。     

TiAlN/CrAlN纳米结构多层膜的结构与性能

采用射频磁控溅射方法制备了单层TiAlN、CrAlN复合薄膜以及不同调制周期和不同层厚比(lTiAlN/lCrAlN)的TiAlN/CrAlN纳米结构多层膜.薄膜采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、显微硬度仪进行表征.结果表明:TiAlN、CrAlN复合薄膜和TiAlN/CrAlN多层膜均为面心立方结构,呈(111)面择优取向.TiAlN/CrAlN多层膜的择优取向与调制周期和层厚比无关.层厚比为1的TiAlN/CrAlN多层膜的硬度依赖于调制周期,在调制周期为8 nm时,达到最大;固定TiAlN的厚度为4 nm,改变CrAlN层的厚度,在研究范围内,多层膜的硬度随着CrAlN层厚度的增加而增加.探讨了多层膜的致硬机制.TiAlN/CrAlN多层膜抗氧化温度比其组成单层膜高了近200 ℃,并讨论了其抗氧化机制.