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。     

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。     

多元等离子体浸没离子注入与沉积和磁控溅射技术制备TiAlSiN/WS_2多层薄膜的力学性能和腐蚀行为(英文)

为了降低超硬TiAlSiN复合涂层的摩擦因数,采用多元等离子体浸没离子注入与沉积和射频(RF)磁控溅射技术制备TiAlSiN/WS2多层薄膜,利用XRD、SEM、Raman光谱、纳米探针、摩擦和电化学试验对薄膜的微结构、力学性能和腐蚀行为进行测试与分析。SEM结果表明:TiAlSiN/WS2多层薄膜具有清晰的调制周期。纳米硬度结果表明,TiAlSiN/WS2多层薄膜硬度介于TiAlSiN和WS2涂层硬度之间。摩擦实验结果证实TiAlSiN/WS2多层薄膜的摩擦因数低于TiAlSiN涂层的,且摩擦过程平稳。此外,TiAlSiN/WS2多层薄膜表现出良好的抗腐蚀能力,在相对较小的调制周期内,其腐蚀电流密度显著降低。     

CrN/CrAlSiN涂层海水环境下的摩擦学性能

为提高海洋装备摩擦零部件的摩擦学性能,采用多弧离子镀技术在316L不锈钢上制备了CrN/CrAlSiN涂层。通过XRD、XPS表征涂层的物相及成分,SEM和TEM表征涂层的形貌和微观结构,并用纳米压痕仪测试其硬度,采用摩擦磨损试验机对涂层在大气和海水环境中的摩擦磨损性能进行测试。结果表明:CrN/CrAlSiN涂层的微观结构主要有CrN相、AlN相以及非晶态Si_3N_4包裹CrN、AlN相,(111)择优取向最为明显;基于微观结构与CrN过渡层的设计,CrAlSiN涂层硬度高达35.5 GPa;较之于316L基底,涂层致密的结构使其在海水环境下表现出更好的耐腐蚀性能;在大气和海水环境下,CrN/CrAlSiN涂层的摩擦因数及磨损率均明显降低,在海水环境下达到最优。     

激光熔覆和重熔制备Fe-Ni-B-Si-Nb系非晶纳米晶复合涂层

采用激光熔覆和重熔的方法在低碳钢CCS-B上制备Fe-Ni-Si-B-Nb系非晶纳米晶复合涂层。利用X射线衍射、扫描电镜、EDAX能谱及透射电镜分析涂层的物相、组织结构,运用显微硬度计、纳米压痕仪及摩擦磨损试验机研究涂层的显微硬度分布、微观力学性能及摩擦磨损性能。结果表明:熔覆层的组织由表面至基体分为非晶纳米晶复合区、熔覆层与基体,其中,复合区为Fe2B、γ-(Fe,Ni)多晶和非晶相的混合组织;涂层的最高显微硬度达到了1 369 HV;涂层的平均摩擦因数为0.275;涂层的主要磨损形式是磨粒磨损和粘着磨损,具有良好的摩擦磨损性能。     

低转速下多弧离子镀制备的Mo-Ti-Al-N超晶格硬质涂层的微结构及背散射谱分析

目的研究低基片转速对纳米多层膜微结构和性能的影响。方法采用阴极多弧离子镀技术在单晶硅基片上沉积制备了MoTiAlN/MoN/Mo纳米复合结构涂层,借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、背散射谱(RBS)和纳米硬度计,分别对样品的物相、形貌、组分和硬度进行表征分析。结果 XRD显示不同转速下制备的涂层的物相结构主要为六角密排结构的Mo N和面心立方(Ti,Al)N,较高基片转速下涂层的结晶性较好。SEM和TEM图像证实,2 r/min基片转速下的目标涂层具有平均调制周期26 nm的Ti AlN/MoN超晶格结构,总厚度为1.15μm,且界面清晰。纳米显微硬度测试表明,低基片转速下,涂层硬度和杨氏模量分别达到(30±2)GPa和(500±30)GPa。结论不同能量的~7Li~(2+)离子卢瑟福背散射谱结合SIMNRA拟合程序,可定量评估该超晶格结构涂层的原子百分比、每个子层的物理厚度及调制周期,这为纳米多层膜的微结构表征提供了一种有效的分析手段。     

TC4钛合金表面沉积CrAlSiN涂层的组织与性能

为了提高TC4钛合金表面硬度和耐磨性能,通过等离子渗氮技术和多弧离子镀技术相结合的方法对TC4钛合金进行表面改性处理。通过扫描电镜、维氏显微硬度计、三维轮廓仪、高速往复摩擦磨损试验仪和电化学工作站,对比研究了TC4钛合金、渗氮层和CrAlSiN涂层的显微组织、硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能。结果表明,经渗氮处理后,TC4合金表面渗氮层硬度提高了约2倍,在此基础上制备的CrAlSiN涂层的平均硬度高达3222 HV0.025,涂层表面存在少许大颗粒和凹坑;CrAlSiN涂层平均摩擦因数为0.22,磨损机理主要为粘着磨损,对磨副的材料粘着到涂层表面,而涂层几乎无磨损,耐磨性能显著提高。CrAlSiN涂层的自腐蚀电位为-0.542 V,比TC4钛合金基体的自腐蚀电位-0.747 V正移了0.205 V,表明在渗氮层基础上沉积CrAlSiN涂层显著提高了合金的耐电化学腐蚀性能。     

金属陶瓷多弧离子镀TiN/TiAlN涂层的结构与性能

采用多弧离子镀技术在Ti(C,N)基金属陶瓷基体上沉积了TiN/TiAlN涂层,通过扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、原子力显微镜等分析技术对其显微组织、成分、相结构、粗糙度及涂层与基体间的结合强度进行了分析.结果表明,多弧离子镀TiN/TiAlN涂层后试样的表面为金黄色,涂层光滑平整,其均方根粗糙度为20.6 nm,显微硬度达到2808 HK.TiN相和TiAlN相均存在强烈的(111)择优取向.Al的含量从涂层内部到表面逐渐增大,呈现梯度分布特征.TiN/TiAlN涂层与金属陶瓷之间的结合强度高达57.52 N.     

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。     

纳米TiO_2含量对等离子喷涂Al_2O_3/TiO_2涂层耐磨性的影响

采用大气等离子喷涂设备在H13热作模具钢表面制备了不同纳米TiO_2含量的Al_2O_3/TiO_2陶瓷复合涂层,并应用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、摩擦磨损试验机等研究了陶瓷复合涂层的微观形貌、物相组成、显微硬度及摩擦磨损性能。结果表明,不同纳米TiO_2含量的Al_2O_3/TiO_2陶瓷涂层均为层片结构,存在一定的孔隙和裂纹,纳米TiO_2添加可以改善涂层表面质量。XRD图谱显示陶瓷涂层主要由α-Al_2O_3、γ-Al_2O_3和Rutile-TiO_2相组成,Al_2O_3再结晶过程中部分α-Al_2O_3转变为γ-Al_2O_3,且再结晶过程发生晶粒细化。涂层显微硬度平均值为1153 HV0.2。纳米TiO_2添加可以降低涂层摩擦因数,但其含量对涂层耐磨性影响不明显。     

nc-(Ti,Al)(C,N)/a-SiNx纳米复合薄膜的制备及性能研究

目的 研究Si、C单元素掺杂及其共同掺杂TiAlN涂层对涂层性能的影响.方法 基于阴极电弧+辉光放电技术,在SUS304不锈钢基体及硬质合金刀具上分别制备nc-(Ti,Al)N、nc-(Ti,Al)N/a-SiNx、nc-TiAlCN及nc-TiAlCN/a-SiNx/a-C纳米复合薄膜,通过SEM观察涂层的微观组织形貌,并借助EDS表征涂层的元素成分,用XRD分析涂层的物相构成,探究C、Si元素对涂层生长的影响.采用纳米硬度仪测试涂层的硬度,采用二维轮廓仪及三维形貌仪表征涂层的表面粗糙度及表面形貌,通过滑动摩擦磨损试验测定涂层的耐磨性,用纳米划痕仪表征涂层的摩擦系数及涂层与基体的结合强度,用铣削实验表征涂层的切削性能.结果 该技术制备的TiAlN涂层,内部晶相结构复杂,硬度为29.57 GPa,主要归因于Ti2AlN、Ti2N等硬质相及TiN0.3相的形成降低了涂层的晶格常数.此为首次报道通过物理气相沉积方法制备含TiN0.3相的涂层.TiAlSiN涂层的硬度最高,为37.69 GPa,且耐磨性最好,主要原因是Si的添加起到了细晶强化和晶界强化的作用.C掺杂TiAlN使涂层析出更多非晶相,涂层硬度降低.C、Si元素共同掺杂,使得nc-TiAlCN/a-SiNx/a-C涂层表现出较低的摩擦系数及表面粗糙度,但与基体的结合性能最差,nc-(Ti,Al)N/a-SiNx薄膜的结合强度最好.结论 涂层均提高了基体表面的显微硬度,Si、C元素的掺杂可使涂层的某些性能得以大幅提升,但在实际应用中,还需根据应用需求选择合适的涂层.     

CrAISiN涂层与不同材料配副时的摩擦学特性

目的 研究CrAlSiN涂层分别与304不锈钢、TC4钛合金、Al2O3陶瓷和GCr15钢四种不同材料配副时的摩擦学特性.方法 采用阴极电弧离子镀技术在M35高速钢上制备了CrAlSiN涂层,采用扫描电镜(SEM)、显微硬度计、划痕仪、球-盘式摩擦磨损试验仪和3D轮廓仪分别测试了涂层的结构和性能.结果 CrAlSiN涂层与304不锈钢、TC4钛合金和GCr15钢配副时的磨损形式为粘着磨损和磨粒磨损,其中与亲和性高的304不锈钢、TC4钛合金粘着磨损严重.CrAlSiN涂层与不锈钢对磨时,摩擦系数最高,达到0.71;与GCr15钢对磨时,摩擦系数最低,但摩擦系数波动大;与钛合金对磨时,摩擦系数介于两者之间.CrAlSiN涂层与亲和性较差的Al2O3陶瓷之间的磨损形式为磨粒磨损,随着磨损的进行,摩擦系数逐渐降低.结论 CrAlSiN涂层与亲和性较高的材料对磨时,磨损形式为粘着磨损和磨粒磨损,与亲和性较差的Al2O3对磨时为磨粒磨损.     

Effect of Ti content on the microstructure and mechanical properties of TiAlSiN nanocomposite coatings

TiAlSiN coatings has been proposed and studied because of their desirable properties in hardness and coating-substrate adhesion. Further improvement of their performance can be achieved by better understanding the effect of the concentration of each element on the microstructure and mechanical properties of the coatings. In this paper, the TiAlSiN coatings with different Ti content were deposited by reactive DC magnetron sputtering method. The microstructure and mechanical properties of the coatings were analyzed by energy dispersive spectroscopy, X-ray diffraction, transmission electron microscope, scanning electron microscope, nano-indentor and Rockwell indentation tester. The results reveal that TiAlSiN coatings consisted of amorphous phase and crystalline phase. With a Ti content of 63 at.%, as well as a Si content of 7 at.%, a super-hard TiAlSiN coating with a nanoindentation hardness of 66 GPa was achieved. What is more, in contrast to the well-described super-hard nanocomposite TiAlSiN coatings, another “nanocomposite” microstructure coating with a Ti content of 29 at.% in which the amorphous phase is wrapped in a crystalline phase was identified, with a comparatively low hardness value of 20 GPa. The highest adhesion strengths with a Rockwell indentation classes HF2 was achieved for a coating with a Ti content of 63 or 65 at.%.     

PVD涂层刀具高速铣削CoCrMo合金的性能研究

目的为了提高涂层硬质合金刀具的切削性能,研究了物理气相沉积PVD法制备的涂层硬质合金铣刀在高速干式环境下的铣削性能。方法采用阴极电弧技术制备了TiN、TiAlN以及TiAlSiN涂层硬质合金铣刀刀头,通过一同沉积涂层的硬质合金圆片,间接测量得出涂层的显微硬度、厚度和平均摩擦系数,并以CoCrMo合金为切削对象,进行了PVD涂层与无涂层刀具高速铣削下的对比试验。结果TiAlSiN显微硬度最高达3800HV,摩擦系数达0.3,TiAlN涂层平均膜厚为2μm,间接测得TiN、TiAlN以及TiAlSiN涂层的结合力依次为60、58、42N。在三者的切削性能中,TiAlSiN涂层的切削性能比TiAlN和TiN涂层的好,同等切削参数时,TiN刀具的高速铣削时间最短,TiAlSiN涂层的平均磨损值为0.1895,TiN的平均磨损值为0.3047。结论涂层中添加Al、Si,极大地提高了刀具的使用性能,改善了刀具切削过程中的耐磨性、红硬性,极大地延长了刀具的使用寿命。TiAlSiN涂层的硬度高,耐磨损性好,切削性能好,适合高速铣削加工。     

20Cr2Ni4A钢表面WC增强铁基涂层耐磨性能的研究

目的 制备优异的耐磨性涂层用于机械零部件表面,可有效地提高其使用寿命,减少机械设备因磨损失效而带来的各类故障.方法 以20Cr2Ni4A合金钢为基体材料,利用激光熔覆技术,制备了铁基涂层和铁基/WC复合涂层.采用X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、HV-1000显微维氏硬度计,分别对铁基涂层和铁基/WC复合涂层的相组成、组织形貌、显微硬度进行表征.利用HRS-2M型高速往复摩擦磨损试验机对铁基涂层和铁基/WC复合涂层的磨损性能进行研究,并分析其磨损机理.结果 两种涂层的显微硬度与基体相比改善较大,其中铁基/WC复合涂层改善最为明显,表面平均硬度值为610HV.以直径为6 mm的GCr15对磨球为摩擦副,铁基涂层的平均摩擦因数为0.53左右,磨损量为0.1432 mm3,而铁基/WC复合涂层的平均摩擦因数为0.36左右,磨损量为0.05935 mm3,与铁基涂层相比,20Cr2Ni4A合金钢表面结合铁基/WC复合涂层的硬度提高了17％左右,磨损量减小了58.6％,具有良好的耐磨损性能.结论 铁基/WC复合涂层因其表面存在W2C、WC、Fe3C等物相,能够均匀分布在铁基涂层上作为耐磨骨架,显著提高了涂层的硬度和耐磨性能.     

V-Al-C-N宽温域涂层的制备及其摩擦学行为

目的 设计制备用于高速切削难加工材料的长寿命刀具涂层.方法 采用三靶磁控共溅射技术,通过改变石墨靶材的溅射功率,调控不同润滑相的配比,制备具有不同C含量的V-Al-C-N纳米复合涂层.利用纳米压痕仪和高温摩擦试验机,对涂层的力学性能和摩擦学性能进行检测.采用透射电镜和扫描电镜观察涂层的显微结构和摩擦磨损表面形貌,并分析...     

电火花沉积Invar/非晶复合涂层的组织与性能

采用电火花沉积技术在45Mn2钢基材表面沉积了Invar、Invar/非晶及Invar/非晶/Invar涂层,通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、摩擦磨损试验仪和电化学工作站等分析了沉积层的组织结构、摩擦磨损和电化学腐蚀性能。结果表明,制备的涂层致密、均匀,与基材呈冶金结合。采用Invar合金打底,获得了约60 μm厚度的无显著裂纹Invar/非晶/Invar涂层。Invar涂层为FCC固溶体结构,Invar/非晶和Invar/非晶/Invar涂层为非晶/固溶体复相结构。Invar、Invar/非晶和Invar/非晶/Invar沉积层的平均硬度分别为176.6、 757.7和772.8 HV0.1,摩擦因数分别为0.44、0.21和0.19。提高沉积层非晶含量可提高硬度,降低摩擦因数,提高耐磨性。沉积层在3.5%NaCl溶液中没有明显的钝化现象,Invar、Invar/非晶及Invar/非晶/Invar涂层的自腐蚀电位分别为-0.74、 -0.54、-0.34和-0.31 V,自腐蚀电流密度分别为7.08、5.15、3.78和3.11 μA·cm^-2。电火花沉积的Invar/非晶/Invar涂层致密、均匀、无裂纹,可极大提高45Mn2钢基体表面的耐磨及耐蚀性能。