液态靶材磁控溅射技术研究进展

随着先进制造业的迅猛发展,对高性能涂层的需求日益增长。以经济高效的方式沉积高性能涂层成为了科学界研究的热点。液态靶材磁控溅射技术因兼备磁控溅射与蒸镀的优点,受到了研究者的广泛关注。从液态靶材磁控溅射技术的基本原理出发,深入分析了放电过程中的特点与等离子体特性,总结了其特点与优势以及在涂层沉积领域的具体应用,最后指出了该技术当前存在的不足之处,并对其未来的发展趋势进行了展望。

氩气和氪气磁控溅射对Zr-Co-RE薄膜微观结构和吸氢性能的影响

为了获得吸气性能较好的Zr-Co-RE(RE为La和Ce稀土元素)吸气剂薄膜,采用直流磁控溅射方法,分别在氩气和氪气气氛中,通过改变沉积气压研究制备了不同结构的Zr-Co-RE薄膜。运用场发射扫描电镜、X射线衍射仪分析了不同溅射气压下溅射气氛对薄膜结构的影响;采用动态定压法分别测试了在氩气和在氪气中沉积的薄膜的吸氢性能,分析了溅射气氛和薄膜结构对吸氢性能的影响。结果表明,在同等气压下,用氩气溅射沉积的薄膜较致密,用氪气溅射沉积的薄膜表面分布有较多的团簇结构和裂纹结构,薄膜呈明显的柱状结构,且柱状组织间分布着大量的界面和间隙,为气体扩散提供了更多的路径;随着氩气和氪气气压增大,薄膜含有更多的裂纹和间隙结构,连续性柱状结构生长更明显,裂纹更深更宽,比表面积更大,有利于提高薄膜的吸氢性能。

溅射技术与基体偏压对TiB_(x)涂层结构和力学性能的影响

目的改善TiB_(x)涂层的残余应力,提高其力学性能。方法采用不同的磁控溅射技术(dcMS、HiPMS、Hybrid)和基体偏压制备TiB_(x)涂层。通过电子探针显微分析仪(EPMA)测试TiB_(x)涂层的化学成分,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)表征涂层的表面形貌、组织结构特征、相组成和择优取向,通过sin^(2)ψ法、纳米压痕仪和洛氏压痕法分别测试TiB_(x)涂层的残余应力、纳米硬度和膜层/基体结合强度。结果溅射技术和基体偏压对TiB_(x)涂层的组织结构和力学性能都有着显著的影响。在基体旋转条件下,不同溅射技术和基体偏压制备的涂层均呈现出TiB_(2)-(001)择优取向。随基体偏压的升高,涂层的残余应力呈现出先增大、后减小的规律。偏压相同时,HiPIMS技术制备的TiB_(x)涂层具有最高的残余应力。随着基体偏压的增加,TiB_(x)涂层的纳米硬度和弹性模量不断增加,在偏压为–130 V时,Hybrid-TiB_(x)涂层具有最高的纳米硬度(40.1GPa)。偏压相同时,dcMS-TiB_(x)和Hybrid-TiB_(x)涂层表现出优异的膜层/基体结合强度(HF1-HF2级),而HiPIMS涂层表现出较差的膜层/基体结合强度(HF1-HF4级)。结论溅射技术和基体偏压对TiB_(x)涂层的微观组织结构和力学性能有着重要的影响,Hybrid模式结合了dcMS模式和HiPMS模式的优点,Hybrid-TiB_(x)涂层呈现出最优的综合力学性能(高的纳米硬度、沉积速率和膜层/基体结合强度)。

沉积气压对AlCrTiSiN涂层组织结构、力学与抗高温氧化性能的影响

沉积气压是涂层制备的重要工艺参数,为研究其对AlCrTiSiN纳米复合涂层组织结构、力学性能与抗高温氧化性能的影响,采用射频磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合技术,改变沉积气压(0.6,0.8 Pa)制备出2种AlCrTiSiN纳米复合涂层,并利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)及其附带的能谱仪(EDS)、纳米压痕仪等对比分析了2种涂层的结构与性能。结果表明:2种沉积气压下制备涂层的相结构均为fcc-(Al,Cr,Ti)N,均沿(111)晶面择优生长,但0.8 Pa制备涂层的(111)织构系数更大,表明其择优取向更明显。与沉积气压为0.8 Pa制备的涂层相比,0.6 Pa制备的涂层表面颗粒更细小,涂层更致密,具备更佳的力学性能,拥有更优异的抗弹性变形能力、抗塑性变形能力和膜基结合力。这一方面是因为在低沉积气压下沉积粒子到达基体上的能量更大;另一方面是由于0.8 Pa制备的涂层中可能出现了厚度较大并且较软的Si_(3)N_(4)相。在900℃氧化6 h后,涂层表面均生成了一层连续、致密的Al_(2)O_(3)混合氧化膜,有效阻止了O向涂层内扩散,可对氧化膜下方涂层起到一定的保护作用。随着沉积气压由0.6 Pa增加到0.8 Pa,氧化物颗粒增大,氧化膜厚度增大,抗高温氧化性能下降。

电极间距对防原子氧聚硅氧烷薄膜性能的影响

与传统制备防护薄膜的方法相比,等离子体聚合法是一种更高效、干燥和简易的制备方法,可以在各种基底上制备数百纳米厚的致密薄膜涂层。采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)法在大面积柔性聚酰亚胺Kapton基底上制备了聚硅氧烷防原子氧薄膜。用SEM、AFM、FTIR和XPS等表征分析了电极间距对聚硅氧烷薄膜性能的影响。结果表明,减小电极间距加速了单体的解离和碳基成分的氧化。随着电极距离的减小,薄膜的沉积速度增大,薄膜从有机无机聚硅氧烷薄膜(SiO_(x)C_(y)H_(z))向无机薄膜(SiO_(2))转化。薄膜中高解离能Si-O键的增多,降低了原子氧的侵蚀率。研究结果为用PECVD方法制备其他有机硅功能薄膜奠定了技术基础。

溅射功率对磁控溅射钽铬合金薄膜的影响

利用双靶磁控溅射技术,通过固定铬靶的直流功率,改变钽靶的射频功率,在CrNi3MoVA钢表面制备钽铬合金薄膜,探究溅射功率对钽铬合金薄膜的性能影响。利用扫描电镜/能谱仪和X射线衍射仪分析不同功率(80~120 W)条件下钽铬合金薄膜的沉积速率和物相组成,通过纳米压痕仪和电化学工作站测试薄膜的力学性能和耐腐蚀性能。结果表明,随着溅射功率增大,薄膜中钽元素含量增加,薄膜整体衍射峰强度增强。钽靶溅射功率为90 W时,薄膜拥有最高的硬度(16.45 GPa)、模量(238.4 GPa)和较佳的弹塑性。当钽靶功率为120 W时,薄膜的腐蚀电流为0.99μA·cm^(-2),耐蚀性最佳。

C_(2)H_(2)气体流量对WC-DLC涂层结构与性能的影响

文章采用直流磁控溅射技术制备WC-DLC耐磨涂层,为了探究C_(2)H_(2)流量对WC-DLC涂层表截面形貌、微观结构、力学和摩擦学性能的影响,在10−50 mL/min C_(2)H_(2)流量下制备了WC-DLC涂层并进行表征分析。结果表明,随着C_(2)H_(2)流量的增加,涂层中碳含量增加,晶粒逐渐细化,由柱状晶逐渐转变为细晶粒,涂层变得更加致密;涂层纳米硬度与sp3杂化的C原子含量密切相关,随着涂层中sp3-C含量的增加,硬度先升高然后降低,磨损率也先升高降低;随着碳原子含量升高,涂层中出现大量的非晶碳,表面晶粒非晶化,涂层的摩擦系数逐渐减小且更加稳定。

沉积温度对CrN涂层干摩擦及大豆油润滑下摩擦学性能的影响

为探究沉积温度对CrN涂层摩擦学性能的影响,同时寻找适合CrN涂层润滑的绿色润滑剂,采用磁控溅射技术在不同温度下制备CrN涂层。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、AFM原子力显微镜、划痕仪、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机评价涂层的微观结构、力学性能,以及在干摩擦及大豆油润滑条件下的摩擦磨损性能。结果表明:在250℃下沉积的CrN涂层具有最致密的晶状结构,且力学性能最优。摩擦试验结果显示,在干摩擦和大豆油润滑下250℃下沉积的CrN涂层表现出最优的摩擦学特性。XPS分析表明,由于摩擦的存在,大豆油会在涂层表面发生摩擦化学反应并生成一层化学吸附膜,从而能有效减轻涂层的摩擦和磨损。250℃下沉积的CrN涂层具有最优的力学及摩擦学性能,且大豆油极为适合CrN涂层的润滑。

非平衡磁控溅射W掺杂类金刚石薄膜的制备与性能研究

为了研究W掺杂对类金刚石薄膜性能的影响,采用非平衡磁控溅射方法,通过改变WC靶功率,在YG6硬质合金基体上制备了5组不同W原子百分数(0%~14%)的含氢类金刚石薄膜(a-C:H:W)。用扫描电镜分析了薄膜的形貌,用拉曼光谱分析了薄膜的微观结构,分别用纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损试验仪测试了薄膜的纳米硬度、膜基结合力和摩擦学性能。结果表明,a-C:H:W薄膜表面为丘状颗粒,随着WC靶功率的增加,颗粒尺寸先减小后增加;W掺杂可促进薄膜的石墨化;W原子百分数为4%的薄膜的临界划痕力Lc2值达到78.28 N,磨损率为5.8×10^(-8)mm^(3)/(N·m),摩擦因数为0.09。

质子交换膜燃料电池金属双极板表面改性研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在缓解全球能源危机和解决环保难题方面提供了创新性的解决方案。在PEMFC中,双极板作为关键组件备受关注。其中,金属双极板因其成本低廉、材料容易获取、导电性能卓越以及易于机械加工而备受关注。然而,金属双极板目前仍然面临耐久性和导电性方面的挑战。为解决这些问题,通常采用表面改性涂层的方法对金属双极板进行处理。综述了近年来关于金属双极板表面改性涂层的研究进展,涵盖了材料设计、沉积工艺和涂层性能等多个方面。在此基础上,基于导电性、耐蚀性、膜基结合力以及疏水性等测试结果,分析了不同涂层对金属双极板表面改性效果的影响。同时,展望了各种类型改性涂层未来的研究趋势。这些研究成果为改善金属双极板的性能、进一步推动PEMFC表面改性技术的发展提供了有益的指导和启示。

手机用烧结钕铁硼材料的发展

本文主要分析了目前高端手机市场用烧结钕铁硼材料的发展状况,从摄像头音圈马达用烧结钕铁硼、振动马达用烧结钕铁硼、磁吸及TWS耳机用烧结钕铁硼三个主要方面对目前市场的应用进行了详细的分析和说明。并对烧结钕铁硼材料的需求性能、材料制备工艺、加工技术、电镀技术、自动充磁和检验技术的现状进行了详细的分析。并指出高性能材料制备,高精度加工方法,低磁衰电镀工艺及自动充磁检验一体化,是未来一段时期高端手机用烧结钕铁硼材料的发展方向。

溅射功率对直流磁控溅射TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响

在室温下采用直流磁控溅射技术在304L不锈钢表面制备TiAlN涂层,研究了溅射功率(80,100,120,140,160 W)对TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响。结果表明:TiAlN涂层由面心立方结构的TiAlN相以及少量TiN和AlN相组成。随着溅射功率的增加,TiAlN涂层变厚,表面晶粒更加致密,但溅射功率160 W下制备的涂层表面大颗粒较多,晶粒尺寸先变小后变大,结合力先增大后减小,平均摩擦因数和比磨损率均整体呈先减小后增大的趋势;溅射功率140 W下制备的涂层具有最小的晶粒尺寸、最强的结合力、最小的平均摩擦因数和比磨损率,磨痕较平整且仅有少量磨屑,磨损机制为轻微的黏着磨损。

C_(2)H_(2)流量对反应溅射石墨制备非晶碳膜层结构及性能影响研究

目的研究反应溅射石墨制备非晶碳过程中乙炔流量变化对非晶碳微观结构、力学性能及摩擦学性能的影响规律。方法通过在乙炔气氛中反应溅射石墨靶,调控乙炔流量,制备不同结构的非晶碳膜层,采用X射线光电子能谱仪、激光共聚焦拉曼光谱仪分析膜层的微观结构,采用纳米压痕仪表征膜层的力学性能,采用球盘式摩擦磨损试验机、白光干涉仪和光学显微镜表征膜层摩擦学性能。结果通过反应溅射法制备了致密均匀的非晶碳,分析发现,所有薄膜表层均含有一定量O元素(原子数分数为6.36%~13.86%)。经Ar^(+)刻蚀后,大部分膜层的O含量可降至1%以下;随着乙炔流量的增加,膜层的硬度(H)、弹性模量(E)和H^(3)/E^(2)均呈先增后减的趋势,在乙炔流量为10 cm^(3)/min时膜层的硬度和弹性模量达到最大值,分别为27.93、233.55 GPa;摩擦学性能测试结果显示,膜层的平均摩擦因数在0.09~0.11之间,在启动阶段摩擦因数随着氢元素(H)含量的增加呈下降趋势,5 cm^(3)/min试样的膜层的耐磨性最高、磨损量最小,其磨损量为0.72×10^(−16)m^(3)/(N·m)。结论通过调节反应溅射石墨过程中乙炔的流量,可调控非晶碳中sp^(3)/sp^(2)、H含量,进而达到调控非晶碳力学性能、摩擦学性能的目的。

类金刚石膜层制备及摩擦磨损性能

为解决某型扭力臂轴及配合衬套的磨损问题,使用磁控溅射和等离子增强化学气相沉积技术,在30CrMnSi-Ni2A表面制备了渐变过渡结构的类金刚石膜层(DLC)。使用球磨法、纳米压痕法、划痕法测量DLC膜层性能,膜厚为4.3μm,硬度≥1900 HV,膜基结合力≥30 N。经过滑动磨损测试,膜层摩擦系数≤0.2,摩擦磨损率≤2×10^(-6) mm^(3)·r^(-1)。经过20000转次耐磨测试,与硬铬镀层的扭力臂轴对比,DLC膜层配合衬套的磨损量远低于硬铬镀层配合衬套,可满足扭力臂轴耐磨润滑需求。

后处理工艺对合金钢离子镀铝层的影响

本文研究了后处理工艺对300M钢表面离子镀铝层的形貌和耐蚀性的影响,并探究离子镀铝及后处理工艺对合金钢氢脆性能的影响。研究结果表明,喷丸处理可以提高铝镀层的致密度,但单一的喷丸处理对铝镀层耐蚀性没有明显提升;化学氧化处理可使铝镀层表面转化为耐蚀性较好的铬酸盐转化膜,显著提高铝镀层的耐蚀性;真空离子镀铝及后处理工艺不会对合金钢产生氢脆的影响。

靶磁场强度对电弧离子镀沉积TiAlSiN硬质涂层内应力的影响

用电弧离子镀制备的TiAlSiN硬质涂层,具有硬度高、致密性好、结合力优良的优点,在刀具工业中有广泛的应用市场。TiAlSiN硬质涂层的内应力不仅会影响涂层的硬度和结合力,也会影响刀具的切削寿命。研究了用电弧制备TiAlSiN涂层过程中,TiSi靶的磁场强度变化对涂层内应力的影响。结果表明,当TiSi靶的磁场从MAG3调为MAG6时,磁场强度减弱,靶材离化率降低,TiAlSiN涂层的内应力从−5.84 GPa降低到−3.16 GPa,而涂层的结合力和硬度几乎没有降低,切削寿命提高了30%。研究为提高TiAlSiN涂层的性能,进而提升刀具的使用寿命提供了有价值的试验数据。

同步脉冲偏压对低温制备的CrSiN薄膜结构及性能的影响研究

利用高功率脉冲磁控溅射技术,研究了同步脉冲偏压对低温沉积的CrSiN薄膜的组织结构、力学、摩擦学及耐腐蚀性能的影响。研究表明,随着同步脉冲偏压升高,荷能离子轰击对薄膜表面的溅射作用增强,薄膜中的轻质元素含量略有下降,同时c-CrN(111)晶面衍射峰消失,薄膜呈明显的(200)晶面择优取向,晶粒细化,致密度提高。在−500 V偏压下沉积的薄膜硬度最大,达到16.5 GPa,腐蚀电流密度可达2.09×10^(−10)A/cm^(2);磨粒磨损及黏着磨损为CrSiN薄膜的主要磨损机制。调控同步脉冲偏压实现了低温下具有优良力学性能和耐蚀性能的CrSiN薄膜的可控制备,为拓宽CrSiN薄膜在温度敏感基体上的适用性提供了新的研究思路与解决途径。

磁控溅射镀膜技术在(Cr,Ti,Al)N涂层上的应用

过渡金属氮化物硬质涂层在切削刀具、精密模具和机械零部件等领域有着广泛的应用。随着切削技术的进步和难加工材料的增多,硬质涂层已由传统的二元涂层向着三元、四元涂层不断发展。(Cr,Ti,Al)N四元涂层因其优异的综合性能而备受研究人员的关注。本文从磁控溅射镀膜的基本原理和技术特点出发,介绍了制备(Cr,Ti,Al)N涂层常见的磁控溅射镀膜技术,分析了采用单质靶与合金靶沉积镀膜的效果及其各自的优缺点,研究了磁控溅射工艺参数对(Cr,Ti,Al)N涂层机械性能的影响,最后讨论了(Cr,Ti,Al)N梯度涂层的作用及其制备方法。本文可为设计(Cr,Ti,Al)N涂层制备工艺、改善(Cr,Ti,Al)N涂层性能提供理论参考与指导。

溅射技术对TiN涂层结构和力学性能的影响

目的沉积条件对TiN涂层的组织结构和力学性能有着至关重要的影响,而溅射技术又决定了涂层的沉积条件,探究不同溅射技术对TiN涂层的微观组织结构和性能的影响,提高TiN涂层的力学性能和高温摩擦磨损性能。方法采用不同的溅射技术(dcMS、HiPMS、Hybrid)在M2高速钢表面沉积TiN涂层,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、sin2ψ法、纳米压痕仪、洛氏压痕法、划痕法和CSM球盘式摩擦试验机分别测试了TiN涂层的组织结构特征、沉积速率、残余应力、纳米硬度、膜基结合力和高温摩擦磨损性能。结果不同溅射技术制备的TiN涂层均为柱状晶结构和TiN(111)择优取向。HiPIMS-TiN涂层具有最高的纳米硬度(29.7 GPa)和最低的膜基结合力(HF2),而Hybrid-TiN涂层呈现出最小的残余应力、高沉积速率和高膜基结合力,其膜基结合力达到HF1级,临界载荷(Lc2)达到82.5 N。不同溅射技术制备的TiN涂层的摩擦因数均随着温度的升高而降低,在500℃时,TiN涂层的摩擦因数约为0.53。TiN涂层的磨损率随着温度的升高而升高,在不同温度下,Hybrid-TiN涂层均呈现出最低的磨损率。结论溅射技术对TiN涂层的组织结构和力学性能有着重要影响,Hybrid-TiN涂层呈现出最优的综合力学性能和高温摩擦磨损性能。

磁控溅射CrAlSiN膜层的高温性能研究

为了探究高速钢在高速切削时的高温氧化行为,采用磁控溅射技术在高速钢表面沉积CrAlSiN硬质膜并进行高温氧化试验,高温氧化温度分别为700,800,900,1 000℃,保温时间为1 h。分别利用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪、纳米压痕仪对膜层的微观结构、纳米硬度及模量、磨损率和抗氧化性进行表征及分析。结果表明:CrAlSiN膜层为fcc-CrN结构,纳米硬度、模量和磨损率分别为24.87 GPa、300.51 GPa和0.024 nm/mN。氧化过程中高温氧化温度为700℃时膜层表面产生微裂纹,形成Cr2O3和Al2O3混合氧化层;800℃时出现微量细小的白色颗粒状氧化物;900℃时,微裂纹增长,氧化物数量增多,新增Cr2O3衍射峰;1 000℃时元素扩散剧烈,但未检测到有基体元素扩散至膜层表面,表明膜层仍具有较好的抗氧化性。随着氧化温度的升高,薄膜表面产生裂纹和氧化物,使膜层的纳米硬度、模量降低,磨损率升高。