超声辅助电火花粉末沉积WC-Ni金属陶瓷涂层的微观结构及摩擦学性能

针对传统电火花沉积工艺中工具电极预制成本高、工艺复杂、材料选择范围受限等问题,提出了一种超声辅助电火花粉末沉积（Ultrasonic-assisted electro-spark powder deposition,UEPD）的新方法。利用UEPD工艺成功地在316L不锈钢基材上制备了WC-Ni金属陶瓷涂层。所制备的WC-Ni金属陶瓷涂层的厚度为89~159 μm,表面粗糙度约为3.672 μm,并且与基材呈现良好的冶金结合。超声振动的引入能够有效改善涂层的成形质量。涂层的微观组织主要由亚微米级细小枝晶组成,主要物相包括FeNi、Cr₃Ni、WC、W₂C、Cr₂₃C₆和Cr₃C₂等。这些细小的晶粒和强化相使金属陶瓷涂层的硬度明显增加,平均硬度达到980.68 HV,约为基材的4.1倍。摩擦磨损性能测试表明,金属陶瓷涂层的磨损率相比基材和不含WC的Ni基合金涂层分别降低了50.7%和37.7%,并且还表现出明显低于二者的摩擦因数。WC-Ni金属陶瓷涂层的主要磨损机理为疲劳磨损和磨粒磨损,其中高硬度表面和具有颗粒流润滑效果的磨屑层是金属陶瓷涂层实现高耐磨、低摩擦的主要原因。UEPD工艺相比于传统的电火花沉积工艺省却了复杂的工具电极预制过程,其工艺更简单,成本更低廉、材料选择更广泛,并且所制备的涂层也表现出良好的成形质量和性能。这为电火花沉积技术的发展提供了一种新的思路。     

304不锈钢表面预处理对沉积CrMoN涂层性能的影响

使用砂纸将对304不锈钢基体依次打磨至1200^#(1^#工艺)、2000^#(2^#工艺),以及打磨磨至2000^#并经粒度0.5μm金刚石抛光膏抛光(3^#工艺)后,在其表面沉积CrMoN涂层,研究了涂层的物相组成、表面与截面形貌、硬度、表面疏水性、耐腐蚀性能和导电性。结果表明:1^#工艺预处理基体表面沉积涂层的表面粗糙度最大,2^#工艺预处理后的次之,3^#工艺预处理后的最小;涂层均由CrN,Cr₂N,Mo₂N等物相组成;随着基体表面粗糙度的降低,涂层的显微硬度、自腐蚀电位和水接触角增大,自腐蚀电流密度、极化后的界面接触电阻降低;2^#工艺预处理基体表面沉积CrMoN涂层的综合性能优异,与3^#工艺预处理的接近。     

类金刚石表面改性C/C复合材料的摩擦磨损性能

采用等离子体增强化学气相沉积法在C/C复合材料基底表面制备了不同厚度的类金刚石（DLC）表面改性膜;用球-盘对磨的方式测试了C/C复合材料基底和DLC膜在干态下的摩擦磨损性能。结果表明:制备的表面改性膜具有典型的DLC结构特征,均匀致密;随着沉积时间的延长,DLC膜厚度逐渐增大,膜基结合强度依次减小;C/C复合材料基底的平均摩擦因数为0.285 8,磨损率约为1.6×10^-4mm³·N^-1·m^-1,表面改性膜的摩擦因数较基底有较大程度的降低,在0.08～0.27之间,磨损率也降低了1～2个数量级,且沉积时间越长其摩擦因数越小、磨损率越低。     

沉积气压对氮化钒(VN)涂层微结构及其性能的影响*

为研究沉积气压对VN涂层力学性能和摩擦性能的影响,采用离子镀制备VN涂层,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜等设备检测VN涂层的物相结构、表面形貌,采用划痕仪测试基体与涂层的膜基结合力,采用摩擦磨损试验机测试涂层的摩擦因数。结果表明:随着沉积氮气气压的升高,VN衍射峰强度逐渐增强,具有(200)晶面择优取向,表面平整度高;随着沉积氮气气压变化,涂层显微硬度和膜基结合力呈抛物线变化趋势,在氮气气压为1.0 Pa时,涂层硬度最高为HV2284,结合力最大为45 N,并具有稳定的摩擦因数,平均摩擦因数为0.85。通过调控沉积气压,多弧离子镀技术可以制备出性能更优越的VN涂层。     

高能量离子束诊断质谱仪的研制及性能表征

本研究开发了一台应用于高能量离子束诊断的直线式飞行时间质谱仪，实现了其与高能真空弧放电离子源的联用。该仪器加速电压30 kV，飞行腔有效飞行距离1.5 m，通过短脉冲离子门精确截取，ICCD高速相机优化聚焦，仪器分辨率优于90 FWHM，对放电过程中产生的等离子体可实现不同时间的离子成分分析。将该方法用于真空弧放电离子源放电过程中离子成分的检测，放电2 μs时，电离成分以气态离子C⁺、O⁺、C²⁺、O²⁺为主；放电6 μs后，除气体成分外，还可以检测到Fe⁺、Cu⁺及其同位素金属离子峰。该仪器能够给出离子源放电产生离子的种类、价态以及相对含量等信息，可实现整个放电过程产生离子成分信息的准确诊断。     

基于工艺控制与基体处理的类金刚石涂层性能优化技术研究综述*

类金刚石涂层(DLC)因其高硬度、高耐磨性、低摩擦因数等特性被广泛用作机械零部件润滑防护涂层,但传统的DLC涂层在高速、重载及高温等苛刻工况下易发生摩擦因数升高、开裂及鼓包/起皮并从基材脱落进而导致涂层润滑防护失效。基于工艺控制及基体处理2个方面,从涂层的沉积工艺、元素掺杂、过渡层的添加及渗氮渗碳、改变粗糙度、加工表面微织构等手段对提升DLC涂层服役性能的优化措施进行综述;针对提高DLC涂层服役性能的措施进行理论分析,并提出未来的研究方向,如建立规范统一的高性能DLC涂层的制备工艺及性能表征方法,进一步探讨不同基体粗糙度对涂层机械啮合力的影响,以及微织构的尺寸效应及对DLC涂层的热应力缓释作用。     

LY12硬铝合金TiN/AlN涂层耐磨性能的研究

使用多弧离子镀在LY12基体表面制备了TiN/AlN薄膜,综合考虑涂层成膜质量、沉积速率和耐磨性能,确定了TiN/AlN薄膜的最佳工艺;并研究了预处理对于结合强度的影响,试验表明：与一般基体相比,经喷砂处理的试样膜基间的结合强度得到很大提高.     

脉冲偏压对PECVD制备DLC薄膜的结构及性能的影响

在不锈钢基材表面利用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)改变脉冲偏压制备不同结构类金刚石薄膜(DLC)。分别采用表面轮廓仪、扫描电镜、拉曼光谱及电子探针分析薄膜的表面粗糙度、断面形貌、薄膜结构及成分,采用纳米压痕仪及划痕仪测试薄膜的纳米硬度、弹性模量和膜基结合力,采用球盘摩擦试验机测试薄膜在大气环境中的摩擦学性能。结果表明:脉冲偏压显著影响PECVD制备的DLC薄膜的表面粗糙度、微观形貌、膜基结合力、纳米硬度及摩擦学性能;随偏压的增大,DLC薄膜的表面粗糙度,摩擦因数及磨损量都先减小后增大,而膜基结合力则先增大后减小。其中2.0 k V偏压制备的DLC薄膜具有最强的膜基结合力,而1.6 k V偏压制备的DLC薄膜具有最低的表面粗糙度、最高的硬度和最优的减摩耐磨性能。     

不同温湿度下风电轴承表面防护DLC薄膜微动摩擦特性

针对湿热环境下风电绝缘轴承的微动磨损失效问题，采用等离子体增强化学气相沉积工艺在绝缘涂层Al₂O₃表面沉积类金刚石碳(DLC)薄膜，研究温湿度对其微动摩擦特性的影响。结果表明：DLC薄膜在适当高温下均具有良好的摩擦学性能，在湿度为80%RH时的平均摩擦因数较小；温湿度较高的环境有利于降低DLC薄膜的微动磨损程度，提高绝缘轴承的防护程度；对磨痕处进行拉曼光谱分析表明摩擦过程中DLC薄膜磨痕表面杂化键sp²/sp³比值均大幅上升，且薄膜发生了石墨化转变。DLC薄膜在高温下的低摩擦行为主要是由于DLC薄膜表面石墨化过渡层和磨损表面石墨化的协同作用。     

模具钢表面多弧离子镀CrAlN涂层的制备及其摩擦性能研究

为了改善模具钢表面质量,采用多弧离子镀技术在H13模具钢表面沉积CrAlN薄膜,探讨H13钢基体表面渗氮处理后对薄膜表面形貌、硬度、结合力、抗氧化性和摩擦磨损性能的影响。结果表明：基体表面渗氮处理前后制备的CrAlN涂层表面均匀致密,都有少量的大颗粒,涂层表面均呈CrN（200）面择优取向,而渗氮后制备的涂层CrN（200）面择优取向更强;基体H13钢经过表面渗氮后,硬度显著提高,对制备的涂层具有支撑作用,降低了裂纹产生倾向,提高了涂层产生裂纹的临界载荷,提高了涂层的膜基结合力;相较于基体表面未渗氮处理制备的CrAlN涂层,基体表面渗氮后制备的CrAlN涂层具有更高的硬度和结合力,更为优异的摩擦磨损性能,且抗高温氧化性能显著增强。     

硬质合金刀具高能离子源增强多弧镀AlCrTiSiN梯度涂层制备及性能研究

采用离子源增强的多弧离子镀新技术,在硬质合金刀具表面制备了不同含Si层梯度结构的AlCrTiSiN梯度涂层,并对涂层组织结构、残余应力、结合强度、摩擦磨损以及铣削和钻削加工灰铸铁性能进行了详细的研究。结果表明：不同含Si层梯度结构的AlCrTiSiN涂层主要由固溶的(Al,Cr) N、(Al,Ti) N相和非晶态Si₃N₄相组成。其中,含Si层梯度变化最缓和的G3(Gradient 3)涂层具有较高的结合强度,较低的残余压应力、摩擦因数和磨损率。铣削和钻削试验显示,涂层刀具的切削磨损机理主要表现为磨粒磨损和粘着磨损。G3涂层降低了磨粒磨损,其刀具的铣削和钻削寿命均最高,这主要得益于其含Si层的梯度设计、适当的压应力(-3.8 GPa)以及良好的膜基结合强度。研究结果表明,通过对含Si层进行梯度设计可显著提高涂层刀具的切削性能。     

Tribology of silicon-thin-film-coated SiC ceramics and the effects of high energy ion irradiation

The sliding friction coefficients and specific wear of SiC ceramics coated with a silicon thin film (Si/SiC) with and without subsequent Ar⁺ irradiation against a diamond pin were measured with a pin-on-disk tester at room temperature in laboratory air of approximately 50% relative humidity without oil lubrication for 40 h. The friction coefficient of Ar⁺-irradiated Si/SiC was about 0.05 with a normal load of 9.8 N and remained almost unchanged during the 40 h test, while that of SiC increased from 0.04 to 0.12 during the test. The silicon deposition also reduced the specific wear of SiC to less than one tenth of that of the uncoated SiC. Effectively no wear was detected in Si/SiC irradiated to doses of over2×10¹⁶ions cm⁻².     

Tribological behavior of aluminum alloys surface layer implanted with nitrogen ions by plasma immersion ion implantation

Some 2014 and 2024 aluminum alloys were implanted with nitrogen ions (N⁺) by Plasma Immersion Ion Implantation (PIII), and dose range was from 2×10¹⁷ to 1×10¹⁸ N⁺ cm⁻². The microstructure of surface layer was studied by Transmission Electron Microscopy (TEM). The depth profile of the implanted layer was investigated by Auger Electron Spectrometry (AES). The wear test was carried on a pin-on-disk wear tester. The micro-morphology of wear was observed by Scanning Electron Microscopy (SEM). The results reveal that: after implanted with nitrogen ions, the friction coefficient of surface layer decreased, and the relative wear resistance increased with the increase of the nitrogen dose. The tribological mechanism was mainly adhesive, and the adhesive wear tended to become weaker gradually with the increase of nitrogen dose. The upper two effects were mainly attributed to the formation of hard AlN precipitation and supersaturated solid solution of nitrogen in the surface layer.     

Y2O3改性石墨/CaF2/TiC/镍基合金复合涂层微观组织与摩擦学性能研究

为提高石墨/CaF₂/TiC/镍基合金（GCTN）复合涂层的力学性能和摩擦学性能,运用等离子喷涂技术在45钢表面制备了Y₂O₃改性GCTN复合涂层,研究了Y₂O₃对复合涂层的微观组织、显微硬度、断裂韧性和摩擦磨损性能的影响。结果表明：Y₂O₃改性GCTN复合涂层主要由γ-Ni、CrB、Cr7C₃、TiC、CaF₂和石墨等物相组成。Y₂O₃在等离子火焰加热作用下与C元素反应生成活性元素Y,Y净化了复合涂层的微观组织,并细化了CrB、Cr₃C7等硬质相晶粒,提高了其致密性。当Y₂O₃质量分数为0.5%时,复合涂层的显微硬度和断裂韧性分别为593.3MPa和6.82MPa·m^1/2,比不含Y₂O₃的复合涂层分别增大了8%和22%,其机理主要是Y₂O₃细化了CrB、Cr₃C₇等硬质相晶粒,起到了细化强化作用。由于GCTN-0.5Y₂O₃复合涂层的显微硬度和断裂韧性显著提高,减少了其黏着磨损和微观断裂磨损,因而GCTN-0.5Y₂O₃复合涂层的摩擦因数和磨损率最小,分别为0.085和0.39×10-3mm3/m。     

基体负偏压对CrAlN涂层组织和性能的影响

采用真空多弧离子镀技术,使用Cr30Al70(原子分数)复合靶,在不同的基体负偏压下,在不锈钢基体上制备了一系列CrAlN涂层;采用能谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、粗糙度仪、显微硬度仪、摩擦磨损试验机和划痕仪等系统分析了涂层的成分、表面形貌、相结构、粗糙度、显微硬度、摩擦磨损性能和界面结合性能。结果表明:随着负偏压的增大,涂层中x(Cr)/x(Cr+Al)的比值先增大后减小,当负偏压为150V时,该值达到最大,并与靶材成分接近;基体负偏压为200V时,涂层的表面粗糙度最大,涂层结晶度、硬度最佳,晶体相为固溶铬的面心立方AlN;涂层的摩擦磨损性能不仅与涂层的表面粗糙度相关,还与涂层非晶相中铝元素的含量以及涂层的内应力大小密切相关;界面过渡层制备工艺相同时,基体偏压对涂层和基体之间的界面结合性能影响较小。     

Effect of Surface Roughening of Substrate Steel on the Improvement of Delamination Strength and Tribological Behavior of Hydrogenated Amorphous Carbon Coating Under Lubricated Conditions

The adhesion strength of diamond-like carbon (DLC) coatings is an obstacle in efforts to improve the reliability of coated products. It is generally believed that the roughening of the substrate surface improves the adhesion between a substrate and coating. The effect of surface roughening of the substrate on the delamination strength of DLC coating and the tribological behavior under lubrication were studied. Five types of roughened substrates were prepared by a wet blast device with differing materials, shapes, and sizes of the shot particles. A hydrogenated DLC film was deposited using plasma-enhanced chemical vapor deposition on the roughened substrates. The tribological properties were investigated under air and lubrication with pure water or n-decane. It was found that the delamination strength of the DLC coating could be improved by roughening the substrate surface, especially by spherical particles. It was also found that slight polishing of either the DLC surface deposited on the rough substrate or the roughened substrate before deposition significantly reduced the wear of the counter surface. The remaining chemical element of alumina particles on the roughened surface affected the delamination strength of the DLC coating.     

石墨烯/MoS2复合涂层多环境下的摩擦学性能

以MoS2作为润滑剂,以石墨烯(GE)作为润滑添加剂,采用喷涂法在GCr15钢样片表面制备不同含量的GE/MoS2复合涂层。利用HSR-2M型高速往复式摩擦磨损试验机测试涂层在干摩擦及海水环境中的摩擦磨损性能,并分析了磨痕形貌及磨损机制。结果表明:添加适量石墨烯可明显改善MoS2涂层的摩擦磨损性能,且海水环境中涂层的摩擦因数、磨损率均低于干摩擦;在干摩擦和海水环境下,随着石墨烯含量的增加,GE/MoS2复合涂层的摩擦因数和磨损量均呈现先下降后上升的趋势,当石墨烯质量分数为0.8%时,摩擦磨损性能最优。干摩擦下MoS2涂层的磨损机制为疲劳磨损、黏着磨损和磨粒磨损,GE/MoS2复合涂层主要为磨粒磨损;而在海水环境下几种涂层均仅出现磨粒磨损。     

TiVN涂层的耐磨性与切削性能的关联研究

通过多弧离子镀沉积技术制备了TiN和TiVN涂层,对比了两种涂层在不同工况下的摩擦磨损性能和切削性能,并指出影响刀具涂层服役性能的主要因素。结果表明,V元素掺杂有效提高了TiN涂层的硬度和结合力、减小了TiN涂层的摩擦因数和低温下的磨损率,但V容易氧化的特性导致500 ℃及以上温度TiVN涂层产生较高的磨损率。切削测试表明,在麻花钻的主切削刃和横刃区域两种涂层发生明显的剥落,而在后刀面涂层未发生明显剥落,TiVN涂层较高的膜基结合强度和耐磨性能使得它对刀具的防护效果更佳;刀具涂层的服役性能与其耐磨性能和膜基结合强度有关,刀具的主切削刃和横刃区域对涂层的耐磨性能和膜基结合强度有着苛刻的要求,且切削刃尖端温度较高,对涂层的高温耐磨性能和膜基结合强度要求也高。     

聚乙烯亚胺修饰碳纤维对环氧树脂复合材料性能的影响

为提高碳纤维与环氧树脂的界面结合性能,从而提高复合材料的摩擦学性能,用聚多巴胺和聚乙烯亚胺对碳纤维进行表面修饰,利用光谱分析仪和扫描电子显微镜分析修饰前后碳纤维表面的化学组成和微观结构,利用万能材料试验机和摩擦磨损试验机考察碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能和摩擦学性能。结果表明：碳纤维经表面处理之后的粗糙程度和活性官能团增多,改善了纤维与树脂之间的界面结合,使得复合材料的弯曲强度和拉伸强度得到不同程度的提高;与未修饰碳纤维增强的环氧树脂复合材料相比,表面修饰碳纤维增强环氧树脂复合材料的耐磨性能得到了很大程度的提高,复合材料的磨损机制也由疲劳磨损转变为磨粒磨损。