电弧离子镀CrN涂层的制备及性能研究

用电弧离子镀技术在W18Cr4V高速钢试样上制备了CrN涂层,采用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱议、显微硬度仪、磨损试验机等对涂层的表面形貌、相结构、硬度和耐磨性进行了分析.对比研究了经工艺优化后的CrN涂层和TiN、TiAlN涂层以及未涂层钻头干式钻削7075铝合金的切削性能,得出了最佳的沉积偏压和切削转速.结果表明,偏压为-50～-150 V时,涂层均由Cr2N 相和CrN相组成,随偏压增加,涂层表面粗糙度降低,硬度和耐磨性增强;偏压过高,涂层的微观质量和性能反而下降.偏压为-100 V时,涂层的硬度和耐磨性最佳.CrN涂层可显著提高高速钢刀具的切削性能,减小刀具磨损,延长刀具寿命.其钻削性能优于TiN、TiAlN涂层,明显优于未涂层.2 230 r/min为CrN涂层的最佳切削转速,经工艺优化后的CrN涂层钻头平均寿命约为未涂层钻头的5倍,其破损机制属于粘着磨损.     

脉冲偏压占空比对TiN/TiAlN多层薄膜微观结构和硬度的影响

目的研究脉冲偏压占空比对TiN/TiAlN多层薄膜微观结构和硬度的影响规律。方法利用脉冲偏压电弧离子镀的方法,改变脉冲偏压占空比,在M2高速钢表面制备5种TiN/TiAlN多层薄膜,对比研究了薄膜的微观结构、元素成分、相结构和硬度的变化规律。结果 TiN/TiAlN多层薄膜表面出现了电弧离子镀制备薄膜的典型生长形貌,随着脉冲偏压占空比的增加,薄膜表面的大颗粒数目明显减少。此外,脉冲偏压占空比的增加还引起多层薄膜中Al/Ti原子比的降低。结论 TiN/TiAlN多层薄膜主要以(111)晶面择优取向生长,此外还含有(311),(222)和(200)晶相结构。5种多层薄膜的纳米硬度均在33GPa以上,当脉冲偏压占空比为20%时,可实现超硬薄膜的制备。     

基体偏压对TiAlN涂层性能的影响

基体偏压是多弧离子镀沉积TiAlN涂层工艺中的一个重要参数,它对涂层的结构以及涂层生长速度有重要影响.通过改变沉积过程中的基体偏压,发现TiAlN涂层表面熔滴的密度和直径随基体负偏压的增加而减小,涂层的显微硬度随着基体负偏压的增加而增加,孔隙率随着基体负偏压的升高而降低.     

电弧离子镀电磁线圈电压对TiAlN涂层结构及性能的影响

目的 揭示电弧离子镀过程中,电磁和永磁复合磁场耦合作用下电磁线圈偏压对TiAlN涂层结构及性能的作用规律,优化TiAlN涂层制备工艺。方法 采用电弧离子镀技术在M2高速钢基体表面沉积高Al含量Ti0.33Al0.67N涂层（TiAl靶,原子数分数,Ti∶Al=1∶2）。改变电磁线圈电压,研究涂层微观组织结构、表面粗糙度、硬度、膜/基结合力和耐磨性的变化规律。结果 在15~45 V范围内,电磁线圈电压小于30 V时,Ti0.33Al0.67N涂层内部致密;线圈电压大于30 V时,涂层内部变得疏松。线圈电压为15 V时,TiAlN涂层表面粗糙度最小,为0.2 μm。随着线圈电压升高,Ti0.33Al0.67N涂层硬度增大,线圈电压为45 V时,Ti0.33Al0.67N涂层硬度达到最大,为3866HV0.025。随着线圈电压的升高,Ti0.33Al0.67N涂层膜/基结合力及耐磨性先增加后减小,线圈电压为15 V时,结合力最高,为95.4 N,磨损率达到最低,为1.62×10-15 m3/(N?m)。结论 在线圈电压较小时,随着电压的升高,作用于阴极靶材的磁场强度增加,阴极弧斑速度加快,每个弧光点维持时间缩短,能量降低,离化率升高,溅射出的液滴数量减少,涂层结构致密,粗糙度降低,硬度和耐磨性能升高;随着线圈电压进一步升高,磁场强度继续增大,弧斑运动受到的磁性束缚力增大,弧斑运动半径向靶材中心收缩,作用于固定位置的弧光累计时间更长,离化率降低,液滴增多,涂层综合性能下降。     

脉冲电源占空比对电弧离子镀AlCrN涂层结构和性能的影响

目的 研究阴极电弧离子镀脉冲电源占空比对AlCrN涂层结构和性能的影响，优化工艺参数，以提高涂层的性能。方法 采用脉冲电弧离子镀制备不同占空比AlCrN涂层，利用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射仪（XRD）、纳米压痕仪和Chi650e电化学工作站，表征涂层的结构、力学性能和耐蚀性能。结果 随着占空比的增加，涂层表面颗粒面积分数和粗糙度先逐渐增加，当占空比大于20%后，颗粒面积分数趋于平稳，同时涂层的厚度从4.06 μm逐渐增加到7.56 μm。当占空比低于20%时，涂层中存在较多的孔隙；当占空比大于20%后，涂层中的孔隙较少，涂层结构较为致密。XRD结果表明，AlCrN涂层为立方结构，晶粒尺寸在14.9~18 nm之间。涂层硬度和结合力均随占空比先增加后减小，占空比为25%时，硬度可达35.19 GPa，结合力为81.7 N。占空比为25%时，涂层的自腐蚀电位较高，自腐蚀电流密度最小，表明该涂层的耐蚀性较强。结论 适当地提高脉冲电源占空比可降低涂层中孔隙的含量，提高涂层的硬度和膜基结合力，同时提高涂层的抗腐蚀性。     

双辉等离子渗钽对TiAlN/Ta复合涂层结构和性能的影响

采用Ta层作为过渡层,通过双辉等离子渗金属（DGPSA）与射频磁控溅射（RFMS）辅助直流脉冲磁控溅射技术（DCPMS）制备TiAlN/Ta复合涂层。借助掠入射XRD、SEM、AFM、纳米压痕、划痕以及摩擦磨损测试了不同工艺制备的Ta过渡层对复合涂层的相结构、表面（截面）形貌、硬度、结合力、韧性和摩擦磨损性能的影响。结果表明,TiAlN复合涂层在高偏压作用下结构致密,RFMS技术制备的Ta过渡层为柱状晶结构,复合涂层表面粗糙度较小,硬度较大而磨损稳定性和耐磨性较差;而DGPSA技术制备的Ta过渡层为纳米晶结构,复合涂层表面粗糙度较大,硬度降低但磨损稳定性与耐磨性都增强。对比发现,通过DGPSA技术制备Ta过渡层使得TiAlN/Ta复合涂层的结合力与韧性大幅度提高。     

多弧离子镀的工艺参数对TiAlN膜层性能的影响

研究了直流偏压、脉冲偏压、占空比、弧电流和氮气流量对多弧离子镀制备TiAlN涂层结合力和硬度的影响。结果表明,影响TiAlN涂层结合力的因素按重要性排序依次为脉冲偏压、占空比、弧电流、氮气流量、直流偏压。影响TiAlN涂层显微硬度的因素按重要性排序依次为占空比、脉冲偏压、弧电流、氮气流量和直流偏压。     

磁过滤电弧离子镀制备TiAlN涂层的结构与性能表征

采用磁过滤电弧离子镀技术在高速钢基体上沉积TiAlN涂层。研究了N_2分压对TiAlN涂层的相结构、化学成分、力学性能、沉积速率、表面粗糙度、结合强度以及摩擦磨损性能的影响。结果表明,N_2分压的变化对涂层的结构与性能影响显著。随着N_2分压的增加,TiAlN涂层呈现(111)择优取向,其硬度最高可达34 GPa。涂层的沉积速率和表面粗糙度随着N_2分压的增大而逐渐降低。此外,由于大颗粒的去除使得涂层表面质量得到提升,所制备的TiAlN涂层均具有较低的摩擦系数(0.15~0.33),并且呈现良好的抗磨损性能,其最低磨损率为8.8×10~(-7)mm~3/(N·m)。     

脉冲偏压占空比对复合离子镀TiCN涂层结构和性能的影响

采用多弧离子镀和磁控溅射复合离子镀技术在高速钢基底上制备TiCN涂层,通过改变脉冲偏压占空比的大小获得了不同的涂层试样,利用台阶仪、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、维氏硬度计等对涂层进行表征,研究占空比对TiCN涂层组织结构和力学性能的影响。结果表明：随着脉冲偏压占空比的增加,TiCN涂层的表面大颗粒逐渐减少,表面形貌得到改善。涂层结构中,（111）晶面的择优取向趋势明显,沉积速率和显微硬度均出现先增大后减小的趋势,且在占空比为40%时均达最大值。TiCN涂层的最高硬度为3 800 HV0.025,约为基底硬度的4倍。     

偏压对电弧离子镀CrNx薄膜结构和机械性能的影响

采用电弧离子镀技术在不锈钢基体表面制备了CrNx薄膜,并采用场发射扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度仪、球-盘式摩擦磨损试验机等手段对在不同偏压下沉积的CrNx薄膜的表面形貌、相结构、显微硬度和摩擦学性能进行考察.结果表明:随着偏压的增加, CrNx薄膜沉积率下降,厚度降低,CrNx薄膜表面颗粒逐渐变少,表面粗糙度降低,结晶度增大,晶粒尺寸增加;CrNx薄膜由Cr2N相和CrN相组成,薄膜的择优取向发生较大变化.当偏压为-100V时,CrNx薄膜的表面结构最致密,硬度最高,抗磨损性能最强.     

TiAlN,TiAlSiN涂层的制备及其切削性能

目的研究TiAlN及TiAlSiN涂层的微观结构及力学性能,以及硬质合金涂层刀具切削SUS304不锈钢的切削性能及磨损行为。方法采用阴极电弧离子镀技术在硬质合金试片及铣刀上分别制备纳微米TiAlN及TiAlSiN涂层。通过X射线荧光测量系统测量涂层的厚度,用扫描电镜(SEM)观察涂层表面形貌,用能谱仪(EDAX)分析涂层元素成分,用X射线衍射(XRD)分析涂层晶相结构,用纳米压痕仪表征涂层硬度,用洛氏硬度计定性测量涂层结合力,通过高速铣削试验探究涂层刀具的切削性能及磨损行为。结果 TiAlN及TiAlSiN涂层的厚度分别为3.32μm和3.35μm,表面致密、光滑,高分辨率(20 000×)下观察到涂层表面有液滴、针孔及凹坑存在。Si元素促进了Ti N(200)晶相的生长,晶粒尺寸减小,硬度增加。TiAlN及TiAlSiN涂层的显微硬度分别为29.6 GPa及37.7 GPa,结合力分别满足VDI-3198工业标准的HF3和HF1等级。在130 m/min的高速切削条件下,TiAlSiN涂层刀具寿命约为未涂层刀具的5倍,TiAlN涂层刀具的1.5倍。结论 Si掺杂制备的TiAlSiN涂层具有高的硬度及良好的抗粘附性,更适用于不锈钢材料的高速切削加工。     

Modified TiAlN coatings prepared by d.c. pulsed magnetron sputtering

Coatings like TiN or TiAlN are well established as hard and wear resistant tool coatings. These coatings often are prepared by PVD techniques like arc evaporation or d.c. magnetron sputtering. Typical micro hardness values of such hard coatings are in the range of 30 GPa. Compared to d.c. magnetron sputtering processes the pulsed magnetron sputter deposition technique could be shown as a clear advancement. Furthermore pure TiAlN hard coatings as well as TiAlN coatings modified by addition of elements like Si and Cr were prepared in order to improve the coating properties using the pulsed magnetron sputter technique in a batch coater equipped with 4 targets. Coatings prepared with the pulsed sputter process showed both high hardness and high wear resistance. The application potential of pulsed sputtered TiAlN coatings is demonstrated by turning test results of coated cemented carbide cutting inserts.Beside hardness and wear, other properties like adhesion or high temperature stability were determined. Cross sectional SEM images revealed the growth structure in dependence of the applied substrate bias and of the added elements. The chemical composition of the coatings was investigated by electron microprobe analysis and the phase and crystal size were determined by X-ray diffraction. Using the pulsed magnetron sputter process the coating properties, especially the hardness and the morphology, could be significantly improved. With indentation hardness values in the range of 40 GPa the region of super hard materials could be reached.     

Structure and wear resistance of TiN and TiAlN coatings on AZ91 alloy deposited by multi-arc ion plating

In order to investigate the microstructure of TiN and TiAlN coatings and their effect on the wear resistance of Mg alloy, TiN and TiAlN coatings were deposited on AZ91 magnesium alloy by multi-arc ion plating technology. TiN and Ti70Al30N coatings were prepared on the substrate, respectively, which exhibited dark golden color and compact microstructure. The microstructures of TiN and Ti70Al30N coatings were investigated by X-ray diffractometry (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The micro-hardness and wear resistance of TiN and Ti70Al30N coatings were investigated in comparison with the uncoated AZ91 alloy. The XRD peaks assigned to TiN and TiAlN phases are found. The hardness of TiN coatings is two times as high as that of AZ91 alloy, and Ti70Al30N coating exhibits the highest hardness. The wear resistance of the hard coatings increases obviously as result of their high hardness.     

直流基体偏压对Al-Cr-Si-N涂层结构和力学性能的影响

采用电弧离子镀技术在不同直流偏压下沉积Al-Cr-Si-N涂层,研究基体偏压对涂层成分、微观结构和性能的影响。结果表明:Al-Cr-Si-N涂层以密排六方结构和面心立方结构的AlN相为主,随着基体负偏压增加,涂层的衍射峰整体向小角度方向偏移:涂层内残余压应力逐渐增加,最大值为-0.77 GPa;涂层硬度和摩擦系数变化不明显。当基体负偏压为-40V时,Al-Cr-Si-N涂层的特征参数H/E和H~3/E~(*2)均达最大值,分别为0.15和0.37GPa,此时涂层具有最佳的耐磨性能,摩擦系数亦最低。     

脉冲偏压对复合离子镀(Ti,Cu)N 薄膜结构与性能的影响

目的 (Ti,Cu)N薄膜是一种新型的硬质涂层材料,关于其结构和性能的研究报道还较少。研究脉冲偏压对(Ti,Cu)N薄膜结构与性能的影响规律,以丰富该研究领域的成果。方法将多弧离子镀和磁控溅射离子镀相结合构成复合离子镀技术,采用该技术在不同脉冲偏压下于高速钢基体表面制备(Ti,Cu)N薄膜。分析薄膜的微观结构,测定沉积速率及薄膜显微硬度,通过摩擦磨损实验测定薄膜的摩擦系数。结果在不同偏压下获得的(Ti,Cu)N薄膜均呈晶态,具有(200)晶面择优取向,当脉冲偏压为-300 V时,薄膜的择优程度最明显。随着脉冲偏压的增加,薄膜表面大颗粒数量减少且尺寸变小,表面质量提高;沉积速率呈现先增大、后减小的趋势,在脉冲偏压为-400 V时最大,达到25.04 nm/min;薄膜硬度也呈现先增大、后减小的趋势,在脉冲偏压为-300 V时达到最大值1571.4HV。结论脉冲偏压对复合离子镀(Ti,Cu)N薄膜的表面形貌、择优取向、沉积速率和硬度均有影响。     

脉冲偏压占空比对TiSiN薄膜结构和性能的影响

采用电弧离子镀方法,通过改变脉冲偏压占空比在M2高速钢和单晶硅片基体上沉积TiSiN薄膜,研究脉冲偏压占空比对TiSiN薄膜形貌结构、元素成分、相结构、纳米硬度和耐蚀性能的影响。脉冲偏压占空比为30%时,TiSiN薄膜表面的大颗粒数目达到最大值832个,占空比为60%时,大颗粒数目减小到451个;脉冲偏压占空比从20%增加到50%,Si试样表面的膜层厚度从390.8 nm增加到2.339 μm;占空比为30%时,Si在薄膜中的含量最高为13.88at%,(220)晶面为择优取向,晶粒尺寸达到最小值5.05 nm,硬度达到28.34 GPa,自腐蚀电流密度达到最小0.5306 μA/cm²;占空比为40%时,(111)晶面为择优取向,Si的含量降低到最小值0.46at%;占空比为50%时,(111)晶面的晶粒尺寸达到13.22 nm,硬度达到最大值42.08 GPa,自腐蚀电位达到最高值-0.324 V(vs SCE)。40%以上的占空比可以减少大颗粒缺陷数量,降低TiSiN薄膜中的Si含量,改变TiSiN薄膜晶粒生长的择优取向,提高薄膜的硬度和耐蚀性能。     

电弧离子镀脉冲负偏压电源及其特性的研究

一种脉冲负偏压电源是由多个脉冲分量形成的电路串联构成，脉冲的频率和占空比直接的高压侧调节。介绍了电源的结构和关键技术，并结合薄膜沉积试验中的电压、电流波形和计算机仿真分析，探讨了电源和电弧离子镀的等离子体负载间的匹配，提出了电弧离子镀脉冲负偏压电源的设计要求。