Al_(0.3)CrFe_(1.5)MnNi_(0.5)高熵合金氮化物薄膜的微观结构及摩擦磨损性能研究

采用反应磁控溅射法制备了Al0.3CrFe1.5MnNi0.5高熵合金氮化物薄膜,分析了不同氮气含量反应下薄膜的微观结构,并考察了薄膜的摩擦磨损性能。结果表明:溅射时氮含量(RN)为0%时,薄膜为体心立方结构,RN为10%时,氮化物镀层主相为面心立方CrN,且存在其他原子置换CrN的晶格中部分Cr原子而形成固溶体。RN达到15%时,薄膜形成非晶结构,随着RN的增大,薄膜非晶化趋势明显。RN为20%~30%时,氮气的固溶度逐渐达到饱和。高熵合金氮化物薄膜的摩擦系数较合金薄膜有明显提高,在磨耗过程中,能够有效阻止裂纹,抗摩擦磨损性能较合金薄膜均有不同程度的提高。     

AlCrTaTiZrN_x高熵合金纳米涂层的微观组织和力学性能研究

通过热压方法制备AlCrTaTiZr高熵合金合金靶材,采用磁控溅射方法在抛光后Si基体表面制备AlCrTaTiZrNx高熵合金涂层,并用扫描电镜、X射线衍射和纳米压痕仪等研究了靶成分、相结构及涂层的微观形貌、成分和常规力学性能。结果表明,AlCrTaTiZr高熵合金靶材为体心立方结构,AlCrTaTiZrNx高熵合金薄膜均匀致密,未通入氮气的薄膜为非晶态,通入氮气的薄膜晶体结构均为简单的面心立方结构。当氮气流量百分比为10%时,薄膜力学性能最好,其硬度和杨氏模量分别达到了22.9GPa和234.77GPa。     

氮含量对Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜的影响

目的 探究氮含量对MoTaW多主元合金薄膜的微观组织和力学性能的影响,并提高Mo-Ta-W多主元合金薄膜的力学性能。方法 采用反应多靶磁控溅射技术在单晶硅片上制备出了具有不同氮含量的Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜,通过X射线光电子能谱仪、掠入射角X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、原子力显微镜对薄膜的成分、组织结构、表面及截面微观形貌、厚度和粗糙度进行了表征分析,并采用纳米压痕仪对薄膜的硬度和弹性模量进行了测试。结果 Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜中的氮含量随着溅射过程中氮气流量的增加而增加,当氮气流量达到50%时,薄膜中的氮含量升至49%,而钽含量则随之降低至12%。形成氮化物后,Mo-Ta-W多主元薄膜由BCC结构转变成了单相FCC固溶体结构,表面由层片状结构转变为花椰菜状团簇结构,随着氮含量的增加,表面的粗糙度先降低后升高,厚度则不断降低。与Mo-Ta-W多主元合金薄膜相比,Mo-Ta-W多主元合金氮化物薄膜的力学性能有所提高,但随着氮含量的增加而下降,当氮气流量为10%时,Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜的硬度和弹性模量分别为34.3 GPa和327.5 GPa。结论 氮化物的形成对Mo-Ta-W多主元合金薄膜的相结构、表面形貌等有影响,可有效提高薄膜的力学性能。     

N2流量比对复合磁控溅射Zr-B-N薄膜结构和性能的影响

目的 在反应沉积时补充金属离子,增加薄膜中金属氮化物硬质相的数量,优化复合磁控溅射Zr-B-N薄膜的制备工艺,揭示N2流量比（N2/(N2+Ar)）对Zr-B-N薄膜结构和性能的影响规律,进一步强化Zr-B-N纳米复合薄膜。方法 采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合镀膜技术沉积Zr-B-N薄膜,借助X射线衍射仪、能谱仪、扫描电镜、纳米压痕仪、划痕测试仪和摩擦试验机,研究N2流量比对Zr-B-N薄膜成分、微观结构、力学性能和摩擦性能的影响。结果 Zr-B-N薄膜具有典型的纳米复合结构,即BN非晶层包裹着ZrB2、Zr3N4、Zr2N、ZrN等纳米晶,所有Zr-B-N薄膜均沿（100）晶面择优生长。随着N2流量的增加,（100）晶面的衍射峰宽化加剧;薄膜硬度由36.2 GPa下降到21.0 GPa;膜/基结合力逐渐增强,临界载荷从34.8 N增加到55.8 N;摩擦系数逐渐增大。当N2流量比为42.9%时,摩擦系数相对较低,约为0.48,归因于薄膜内形成了沿（220）晶面生长的ZrN相,从而起到了良好的减摩作用。结论 当N2流量比为42.9%时,Zr-B-N薄膜具有纳米复合结构和良好的各项性能。     

占空比对中频磁控溅射（Al,Ti）N周期性多层膜组织与性能的影响

采用LABVIEW软件控制N2气体流量,辅助中频磁控溅射制备不同占空比的(Al,Ti)N周期性多层膜,分别利用X射线衍射仪、场发射扫描电镜、纳米硬度仪研究了(Al,Ti)N周期性多层膜的组织结构和力学性能,研究表明:不同占空比下的薄膜只存在面心立方结构,多层膜具有一定的择优取向,择优取向随着占空比的改变而变化,当占空比为50%时,薄膜中存在(111)和(220)两种取向;多层的结构可以提高薄膜的结合强度和力学性能,获得的多层膜硬度最高为33.58GPa,临界载荷在40N左右,磨损情况也得到了明显的提高,主要是以粘合磨损为主;氮流量的增加有利于多层膜的性能改善。     

Al含量对(V,W,Al)N复合膜微观组织和抗氧化性能的影响

采用多靶磁控溅射仪,制备不同Al含量的(V,W,Al)N复合膜。利用X射线衍射仪、纳米压痕仪和热处理炉及热失重分析仪对(V,W,Al)N复合膜的微观组织、力学性能及高温抗氧化性能进行表征。结果表明:当Al含量低于14.86 at%时,(V,W,Al)N复合膜存在面心立方结构(V,W)N、WN相及六方结构V2N相,当Al含量高于14.86 at%时,薄膜存在面心立方结构(V,W)N、WN相及六方结构V2N和AlN相;随Al原子百分含量的增加,复合膜的硬度呈先增大后减小的趋势,当Al原子百分含量达到14.86 at%时,其硬度最大值为35.5 GPa;随Al含量的增加,(V,W,Al)N复合膜抗氧化性能提高了至少200℃。讨论Al含量对(V,W,Al)N复合膜性能的影响。     

氮气流量对VNbMoTaWNx薄膜作为PEMFC不锈钢双极板改性层性能的影响

目的 降低SS316L表面的接触电阻,提高耐腐蚀性能。方法 采用非平衡场磁控溅射离子镀技术在SS316L不锈钢表面制备VNbMoTaW和不同氮气流量的VNbMoTaWNx薄膜。使用场发射扫描电镜、XRD衍射仪、XPS光电子能谱仪、电化学工作站、接触电阻测试装置,研究了改性涂层的组成和结构对接触电阻和耐腐蚀性能的影响。结果 扫描电子显微镜结果表明,所有薄膜表面致密且连续、与基体结合良好。随着氮气流量的增加,氮化物相逐渐增多、柱状晶结构减少、薄膜更加致密紧凑。XRD结果表明,未通氮气的高熵合金薄膜具有高熵合金体心立方结构,并沿(110)晶面方向生长。随着氮气流量的增加,氮化物相逐渐增多,薄膜晶体结构开始从体心立方结构转变为面心立方结构。结合XPS分析结果可知,VNbMoTaWNx薄膜表面主要由金属氮化物和少量高熵合金BCC相组成,并且随着氮气流量的增加,金属氮化物相逐渐增多。与单层VNbMoTaW薄膜相比,VNbMoTaWNx薄膜具有更好的耐腐蚀性和导电性能。氮流量为12 mL/min的高熵合金氮化物薄膜具有最优异的综合性能。表面改性后的薄膜接触电阻大幅度降低,在1.4 MPa的压力下,与碳纸的接触电阻仅为12.2 mΩ.cm²,接近美国能源部(DOE)的技术目标。由动电位极化曲线测得VNbMoTaWNx-12 mL/min在模拟PEMFC阴极环境下的腐蚀电流密度为0.040 μA/cm²,与SS316L基体相比,薄膜的耐腐蚀性得到了很大提升。在0.6 V恒电位模拟阴极环境下,VNbMoTaWNx-12 mL/min的电流密度稳定在1.01 μA/cm²,接近美国能源部1 μA/cm²的目标。结论 VNbMoTaW和不同氮气流量的VNbMoTaWNx薄膜能显著提高SS316L基体的耐腐蚀性和导电性能。     

氮气流量对(Ti,Al,Si,Cr)N超硬薄膜的结构与性能的影响

采用等离子增强磁控溅射技术（PEMC）在YG8硬质合金表面制备了(Ti, Al, Si, Cr)N超硬膜,研究了N₂流量对膜层结构、成分、形态特征与性能的影响。试验结果表明,所得薄膜为面心立方结构,随N₂流量增加,薄膜的晶体学取向由（111）晶面向（200）晶面转变。薄膜表面呈现柱状晶形态,N₂流量为70 sccm时,柱状晶尺寸最小,粗糙度最低。所得薄膜的硬度随N₂流量的增加先增大后减小,N₂流量为70 sccm时,达到最大值35.70 GPa。     

硬质合金表面多弧离子镀(Ti,Al,Zr,Cr)N多元氮化物膜

采用Ti-Al-Zr合金靶和Cr靶,用多弧离子镀技术在WC-8%Co硬质合金基体上沉积(Ti,Al,Zr,Cr)N多元氮化物膜。分析了薄膜的成分、形貌、粗糙度和结构,研究了薄膜的显微硬度、膜/基结合力和抗高温氧化性能。结果表明,获得的多元氮化物膜仍是B1-NaCl型TiN面心立方结构;适当控制偏压条件可以改善薄膜的表面形貌;在不同的偏压条件下,(Al+Zr+Cr)/(Ti+Al+Zr+Cr)的成分比为0.41～0.43,当其比值趋于0.4时,薄膜的显微硬度和膜/基结合力达到最大值3600HV0.01和200N;同时薄膜的抗高温氧化性能提高,最高温度可达700℃左右。     

VNbMoTaWCo高熵合金氮化物扩散阻挡层的制备及其热稳定性

利用直流磁控溅射镀膜机设置不同氮气流量参数,制备VNbMoTaWCoN_x薄膜,氮气流量为20%时,在洁净的硅基底上沉积厚度约为15 nm的VNbMoTaWCoN₂₀高熵合金氮化物薄膜,并在其上面再溅镀一层厚度约为50 nm的Cu膜,最终形成Cu/VNbMoTaWCoN₂₀/Si 三层复合结构。采用四点探针电阻测试仪(FPP)、X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、场发射扫描电镜(SEM)对三层复合结构500 ℃退火前后的方块电阻、物相结构、粗糙度以及表面形貌进行了分析表征,研究了VNbMoTaWCoN₂₀高熵合金氮化物薄膜作为扩散阻挡层的热稳定性。研究结果表明,当氮气流量占比为20%时,VNbMoTaWCo₂₀高熵合金氮化物薄膜为非晶态,且出现了微量纳米晶;此氮气流量占比下制备的薄膜表面平整光滑、致密度最佳、粗糙度数值最小。Cu/VNbMoTaWCoN₂₀/Si三层复合结构进行500 ℃退火8 h后,Cu膜的方块电阻仍然维持在较低的数值,即0.065 Ω/sq,虽然Cu膜发生团聚,但是并未检测到高阻态Cu-Si化合物。VNbMoTaWCoN₂₀高熵合金氮化物薄膜作为扩散阻挡层在500 ℃温度下退火8 h后,表现出了优异的热稳定性。     

Ti-Si-N纳米复合薄膜的制备及其力学性能

采用离子束溅射与磁过滤阴极弧共沉积技术在单晶硅片(400)表面制备Si含量(摩尔分数)为3.2%~15.5%范围内的TiSiN薄膜。采用X射线光电子能谱(XPS)、电子散射谱(EDS)、X射线衍射仪(XRD)研究TiSiN薄膜的显微结构和力学性能。结果表明:低Si含量的薄膜以面心立方晶型的Ti(Si)N固溶体形式存在,择优晶面为(200)面;当Si含量饱和后,出现Ti(Si)N和Si3N4非晶相,形成Ti(Si)N/Si3N4纳米复合结构。薄膜硬度范围在22~26GPa,采用Si3N4小球为对偶时薄膜的摩擦因数均维持在0.13~0.17之间。Si含量为10.9%时,硬度达最大值,结合较低的粗糙度,使其摩擦因数和磨损率达到最低值。     

Si-doped multifunctional bioactive nanostructured films

Si-doped multifunctional bioactive nanostructured films (MuBiNaFs) were deposited by DC magnetron sputtering of composite TiC_0.5 + CaO + Si (A) and TiC_0.5 + CaO + Si₃N₄ (B) targets produced by self-propagating high-temperature synthesis method. The films were characterized in terms of their structure, elemental and phase composition using X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy, electron energy loss spectroscopy, glow discharge optical emission spectroscopy, Raman, and IR spectroscopy. The Ti-Si-Ca-P-C-O-(N) films consisted of TiC(N) as a main phase with a minor amount of TiO_x, SiN_x, SiO_x, SiC, and CaO phases probably mainly in amorphous state at the grain boundaries and COO- groups on the film surface. The excess of carbon atoms in the Ti-Si-Ca-P-C-O-N film (target A) precipitated in a DLC form. The films showed hardness in the range of 26-31 GPa, reduced Young's modulus of 200-270 GPa, and high percentage of elastic recovery of 60-71%. The best Ti-Si-Ca-C-O-N films exhibited low friction coefficient both in physiological solution and Dulbecko modified Eagle medium with fetal calf serum, hydrophilic properties, improved electrochemical characteristics, and excellent impact resistance. Nevertheless, the wear resistance of the Ti-Si-Ca-C-O-N films against Al₂O₃ ball was lower compared with the best Si-free MuBiNaFs. In vitro studies showed that the Si-doped Ti-Ca-C-O-N films possess improved osteoconductive characteristics during early stage of cell/material interaction. The film surface was highly adhesive for IAR-2 epithelial and MC3T3-E1 osteoblastic cells. The films revealed a high level of biocompatibility and biostability in experiments in vivo. The Ti-Si-Ca-C-O-N film (target A) did not show any bactericidal activity during cultivation of bacterial strains both on solid and in liquid Luria Bertani mediums. The film did not reveal any bactericidal and toxic activity against macrophages and therefore did not change bacterial status and defence system of macro-organisms.     

Characterisation and tribological evaluation of nitrogen-containing molybdenum–copper PVD metallic nanocomposite films

This paper reports on the structural, mechanical and tribological properties of molybdenum–copper nanocomposite films ‘doped’ with small amounts of nitrogen, which contain either no nitride phase (i.e. the nitrogen is held in interstitial solid solution, mainly in molybdenum) or small amounts of lower nitrides (i.e. Mo₂N). All films were deposited on Si wafers, AISI M2 high speed steel and AISI 316 stainless steel by reactive sputtering using a hot-filament-enhanced dc unbalanced magnetron system. A systematic approach was adopted to investigate the evolution of metal/metal and ceramic/metal phase combinations with increasing nitrogen content (up to 40 at.% N) in the film. Coating composition and microstructure were determined by cross-sectional TEM, SEM and XPS. XRD was used to identify (where possible) metallic and metal-nitride phases. Mechanical properties such as hardness and elastic modulus were determined by low load Knoop and instrumented Vickers indentation measurements. Reciprocating sliding, micro-abrasion and impact tests were performed to assess tribological performance.

It was found that increasing the nitrogen gas flow rate from 0 to 15 sccm (and therefore nitrogen content in the film from 0 to 24 at.% N), refined significantly the coating microstructure from columnar to a dense and more equiaxed morphology, increasing the hardness whilst maintaining (almost constant) elastic modulus values, close to that of molybdenum metal. Further increases in the nitrogen gas flow rate resulted in films that appeared to contain significant fractions of the Mo₂N ceramic phase. SEM and cross-sectional TEM analyses of the film deposited at a nitrogen flow rate of 20 sccm (containing 36 at.% N) demonstrated a microstructure consisting of 50–100 nm wide columns, which contain small regions of contrast in dark-field images, of the order of 3–5 nm wide. A maximum hardness of 32 GPa and the highest hardness/modulus ratio was however found in the (predominantly metallic) film deposited at a nitrogen gas flow rate of 15 sccm. This film also performed best in both micro-abrasion and impact wear tests; in contrast, the ‘ceramic’ film (deposited at 20 sccm nitrogen flow rate) performed better in reciprocating sliding wear.     

C含量对ZrCN薄膜结构和力学性能的影响

通过非平衡磁控溅射的方法制备了不同C含量的ZrCN复合薄膜,采用XPS,XRD,SEM,AFM,纳米压痕仪和摩擦磨损仪等对薄膜的化学成分、微结构、表面形貌、力学性能及摩擦磨损性能进行了研究.结果表明,ZrCN薄膜中(C+N)/Zr原子比对薄膜的相组成、微结构和力学性能都有很大的影响.当(C+N)/Zr原子比小于1时,C进入ZrN的晶格间隙并形成Zr(C,N)固溶体.而当(C+N)/Zr原子比大于1时,多余的C形成非晶态的CN或单质C,ZrCN复合膜呈fcc结构.随着C含量升高,ZrCN复合膜的硬度先增大后减小,而摩擦系数逐渐减小,磨损所产生的磨痕逐渐变窄、变浅.C的加入使得ZrCN复合膜的摩擦磨损形式发生改变,摩擦磨损性能得到提高.含C量为13.2%的ZrCN薄膜硬度达到31 GPa,摩擦系数仅为0.26,综合具备了硬度高、摩擦磨损性能好的优良特点.     

C含量对ZrCN薄膜结构和力学性能的影响

通过非平衡磁控溅射的方法制备了不同C含量的ZrCN复合薄膜,采用XPS,XRD,SEM,AFM,纳米压痕仅和摩擦磨损仅等对薄膜的化学成分、微结构、表面形貌、力学性能及摩擦磨损性能进行了研究.结果表明,ZrCN薄膜中(C+N)/Zr原子比对薄膜的相组成、微结构和力学性能都有很大的影响.当(C+N)/Zr原子比小于1时,C进入ZrN的晶格间隙并形成Zr(C,N)固溶体.而当(C+N)/Zr原子比大于1时,多余的C形成非晶态的CN或单质C,ZrCN复合膜呈fcc结构.随着C含量升高,ZrCN复合膜的硬度先增大后减小,而摩擦系数逐渐减小,磨损所产生的磨痕逐渐变窄、变浅.C的加入使得ZrCN复合膜的摩擦磨损形式发生改变,摩擦磨损性能得到提高.含C量为13.2%的ZrCN薄膜硬度达到31 GPa,摩擦系数仅为0.26,综合具备了硬度高、摩擦磨损性能好的优良特点.     

镁合金表面磁控溅射DLC/SiC薄膜的纳米压痕与摩擦磨损性能

采用室温磁控溅射技术在镁合金(AZ91D)表面制备出DLC/SiC(类金刚石/碳化硅)双层薄膜(SiC为中间层),研究了薄膜的纳米压痕行为、膜基黏附力和膜基系统的摩擦磨损性能.结果表明:DLC薄膜具有低的纳米硬度(3.05 GPa)、低的弹性模量(24.67 GPa)和高的硬弹比(0.122);膜基系统具有高的界面黏附力和好的摩擦磨损性能;在以氮化硅球为对摩件的室温干摩擦条件下其磨损速率在10~(-6)mm~3·m~(-1)·N~(-1)级,摩擦系数约为0.175.分析表明:膜基系统具有的良好抗磨性能与其薄膜具有高的塑性和硬弹比、膜基系统具有好的弹性模量匹配是相一致的;DLC薄膜具有的不寻常力学行为(很低的硬度和弹性模量等)与其基材是镁有关.     

Structural and mechanical properties of nanostructured TiO2 thin films deposited by RF sputtering

This study mainly aims to evaluate the effects of substrate temperatures on the mechanical properties of TiO₂ thin films deposited on glass substrates by radio-frequency (RF) magnetron sputtering. All titania films possess anatase structure having a nodular morphology. AES results reveal that Si and Na ions from glass diffuse into TiO₂ films at higher substrate temperatures. Micro-scratch and wear tests were conducted to evaluate their mechanical and tribological properties. The adhesion critical loads of TiO₂ films deposited at room temperature, 200 and 300 °C are found to be 1.51, 1.54 and 1.08 N, respectively. Scratch hardness also increases from 11.5 to 13.6 GPa with increasing temperature. The wear track width decreases with substrate temperature indicating an improved wear resistance at higher temperatures.     

基于稳定固溶体团簇模型的含氮铜合金薄膜

目的制备结构和性能稳定的含氮铜合金薄膜,提高铜合金的硬度。方法基于稳定固溶体团簇模型在Cu-Ni基合金成分设计方面的研究,进一步利用Nb与N相对较大的负混合焓以及Ni的作用,将N带入Cu中,达到稳定N的目的。采用磁控溅射方法在N2/Ar比为1/30的气氛中制备了Si(100)基Cu-Ni-Nb-N四元合金薄膜和参比样品,并通过电子探针、X射线衍射仪和透射电子显微镜分别分析了薄膜的成分、结构和膜-基界面,采用双电测四探针测量仪和超轻微载荷努氏硬度计测量了薄膜的电阻率和硬度。结果与Cu(N)薄膜相比,四元合金薄膜具有更好的结构稳定性和更高的硬度。溅射态时,四元薄膜由铜的纳米柱状晶和少量NbN组成,硬度均在5 GPa左右。550℃/1 h退火后,薄膜致密度好,部分N能以NbN化合物的形式稳定存在于薄膜中,大部分薄膜的硬度在3 GPa以上,并且具有较好的导电性。结论采用稳定固溶体团簇模型选择固氮元素,能够制备出综合性能较好的含氮铜合金薄膜,为其进一步用于铜及其合金的表面改性奠定了基础。     

静电纺丝制备连续SiC亚微米/纳米纤维

采用镶嵌靶反应磁控溅射技术,通过调节氮分压及基体偏压在M2高速钢基体表面制备了一系列耐热的(Ti,Al)N硬质薄膜,并用XRD,EDS及纳米压入法、划痕法等方法研究了(Ti,Al)N薄膜的成分、相结构与力学性能的关系。结果表明,氮分压和基体偏压对(Ti,Al)N薄膜取向及Ti、Al、N原子含量有明显影响,从而导致薄膜硬度及膜基结合性能发生变化。研究中,在氮分压为33.3×10-3Pa、基体偏压为-100V时制备的(Ti,Al)N薄膜力学性能最优,其纳米硬度为43.4GPa,达到40GPa超硬薄膜的要求。