TiAlSiN纳米复合涂层的研究进展

随着现代加工需求的不断提高,对刀具涂层的性能要求愈发苛刻。相较于CrN、TiN、TiAlN等传统硬质涂层,TiAlSiN纳米复合涂层凭借优异的硬度、耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性,成为了减少工件磨损、延长使用寿命的最佳候选材料,被广泛应用于汽车、航空航天、通用机械等刀具加工领域,引起了研究者的广泛关注。为此,本文综述了TiAlSiN纳米复合涂层在微观结构、力学性能和实际应用方面的研究进展;阐述了TiAlSiN纳米复合涂层元素组成、制备工艺对其微观结构的影响规律及作用机理;重点讨论了TiAlSiN纳米复合涂层力学性能(如硬度、韧性、结合力及耐磨性)的影响规律及作用机制,包括归纳了Hall-Petch效应、固溶强化、共格外延、模量差异、晶界复合在内的5种TiAlSiN纳米复合涂层的增硬机理,对比分析了不同涂层增韧的途径与机制,探讨了TiAlSiN纳米复合涂层结合力与摩擦学性能的影响因素;最后,介绍了TiAlSiN纳米复合涂层在刀具、模具等典型应用领域的发展现状,并对TiAlSiN纳米复合涂层未来的研究趋势和发展方向进行了展望,以期为发展高效、高性能、低成本的刀具硬质涂层提供参考。

等离子增强磁控溅射制备TiCr基纳米复合涂层的显微组织和性能

使用等离子增强磁控溅射技术,利用三甲基硅烷TMS(Si-C)以及六甲基二硅氧烷HMDSO(Si-CO)气体在H13钢表面制备了TiCrSiCN和TiCrSiCON纳米复合涂层。结合SEM、AFM、XRD、EDS等研究了O元素对涂层显微组织、物相组成、表面能、硬度、摩擦因数、耐磨和耐高温氧化性能的影响。结果表明:与无氧的TiCrSiCN涂层相比,含氧的TiCrSiCON涂层表面较粗糙,致密度低,且存在典型的柱状组织,从而导致其较高的表面能;O元素的加入提高了涂层的硬度,使TiCrSiCON涂层的耐磨性能显著提高,但TiCrSiCN和TiCrSiCON的摩擦因数相差不大;TiCrSiCON涂层中的Cr元素易与O元素结合形成一层致密的氧化膜,从而提高了其耐高温氧化性能。

Ni/聚氨酯纳米复合涂层的制备及其摩擦学性能研究

用超声化学方法制备了纳米Ni微粒,并在此基础上制备了Ni/聚氨酯纳米复合涂层,用X射线衍射仪和透射电子显微镜表征了纳米Ni微粒的结构和形貌以及纳米复合涂层中Ni微粒的分布;用球-盘摩擦磨损试验机评价了Ni/聚氨酯纳米复合涂层的摩擦磨损性能.结果表明:纳米Ni微粒平均晶粒尺寸为10nm;纳米Ni微粒均匀分布在Ni/聚氨酯纳米复合涂层中,其颗粒尺寸约为50nm;Ni/聚氨酯纳米复合涂层的摩擦学性能明显优于聚氨酯涂层.

等离子喷涂Al_2O_3/TiO_2纳米复合涂层的制备、结构及摩擦学性能

采用喷雾干燥法对溶胶-凝胶法合成的系列A l2O3/TiO2纳米复合粉体进行造粒,使用等离子喷涂技术制备系列A l2O3/TiO2纳米复合涂层.对涂层结构和形貌分析表明所制备的A l2O3/TiO2纳米复合涂层形成了具有熔融区和半熔融区的双区形态的纳米复合结构.使用UMT-2MT试验机研究了复合涂层的摩擦磨损性能,结果表明复合涂层的磨损率随TiO2含量的增加表现出先降低而后增大的趋势,TiO2质量百分数为10%的纳米复合涂层的磨损率最低;而涂层的摩擦系数随TiO2含量的增加变化不大.复合涂层的磨损机制为裂纹扩展导致的磨损剥落.

电弧离子镀制备TiSiN纳米复合涂层

目的在SiH4气氛下制备Si掺杂的TiSiN纳米复合涂层,为SiH4用于工业化TiSiN涂层生产提供依据。方法采用电弧离子镀技术,在SiH4气氛下,于单晶硅和硬质合金衬底上制备Si掺杂的TiSiN纳米复合涂层,研究SiH4流量对TiSiN涂层化学组分、微观结构、硬度和耐磨性能的影响。结果 SiH4流量对TiSiN纳米复合涂层的微观结构、硬度及摩擦系数的影响明显。随着SiH4流量的增加,TiSiN涂层由柱状晶生长的晶体结构逐渐转变为纳米晶镶嵌于非晶基体的复合结构。Si在涂层中以Si3N4非晶相存在,随着涂层中Si含量逐渐增加,TiN晶粒尺寸逐渐减小,Si3N4起到细化晶粒的作用。在42 m L/min的SiH4流量下,涂层硬度高达4100HV0.025。在对磨材料为硬质合金的条件下,TiSiN涂层摩擦系数小于0.6。结论 SiH4气氛下可以制备出Ti N纳米晶镶嵌于Si3N4非晶相结构的TiSiN纳米复合涂层,涂层的显微硬度较高。SiH4可以作为Si源用于TiSiN纳米复合涂层的工业化生产。

IMR纳米复合涂层与现役飞机典型涂层抗紫外线老化性能对比研究

采用紫外线照射加速老化实验方法对喷涂IMR纳米复合涂层与现役飞机结构典型涂层的试件进行了对比实验,定量地描述了涂层色差随着老化时间的变化.与现役飞机涂层相比,纳米复合涂层的抗紫外线老化性能有明显改进.研究结果为纳米复合涂层在典型军用飞机结构中的应用提供了实验依据.

纳米复合涂层对碳钢防腐性能的交流阻抗评定

利用电化学阻抗谱法考察了普通涂层、纳米复合涂层和憎水纳米复合涂层的防腐性能 .结果表明 ,纳米复合涂层的防腐性能明显高于普通涂层 ,而经过氟表面活性剂改性的表面憎水的纳米复合涂层的防腐性能更好 .

氮气保护对纳米复合涂层组织与性能的影响

采用氮气保护方法改进电弧喷涂技术,制备含纳米陶瓷颗粒的粉芯丝材电弧喷涂层,研究其组织结构和高温冲蚀性能.结果表明,氮气保护提高了涂层的致密性和均匀性,组织的连续性和均匀性得到明显改善,涂层中氧化物显著减少.氮气保护使更多的合金元素熔入Fe中形成Fe基固溶体,纳米陶瓷相在基体相中呈较均匀的弥散分布状态.当氮气保护的涂层受磨粒冲蚀时,不会出现明显的层状形式流失.在本试验条件下,3种氮气保护涂层平均体积冲蚀率比无氮气保护均有显著提高.氮气保护改善了纳米陶瓷相与基体相的结合,更有利于发挥纳米陶瓷颗粒对涂层的弥散强化作用.

高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层结构调控与性能研究

采用高功率调制脉冲磁控溅射Al/（Al＋Ti）原子比（x）分别为0.25、0.5和0.67的TiAlSi合金靶,溅射功率1～4kW,氮气分压25%,工作气压0.3Pa,在Si（100）和AISI304奥氏体不锈钢基片上沉积了TiAlSiN纳米复合涂层。TiAlSiN涂层中氮含量保持在52.0at%～56.7at%之间,均形成了nc-TiAlN/a-Si3N4/AlN纳米晶/非晶复合结构。随着原子比x增加,非晶含量增加,涂层硬度先升高而后降低。当x=0.5时,硬度最高可达28.7GPa。溅射功率升高可提高溅射等离子体中金属离化程度,促进涂层调幅分解的进行,形成了界面清晰的非晶包裹纳米晶结构,且晶粒尺寸基本保持不变。当x=0.67时,溅射功率由1kW上升到4kW时,硬度由16.4GPa升至21.3GPa。不同靶材成分和溅射功率条件下沉积的TiAlSiN涂层的磨损率为（0.13～6.25）×10^-5mm^3/（N·m）,具有优良的耐磨性能。当x=0.67,溅射功率2kW时,nc-TiAlN/a-Si3N4纳米复合涂层具有最优的耐磨性能。

TiAlN纳米复合涂层的技术进展

综合介绍了国内外TiAlN涂层技术的发展现状和TiAlN涂层的性能特点、PCD制备工艺以及今后的发展趋势和研究方向;重点评述了高Al含量TiAlN超硬涂层、异质多层膜纳米复合TiAlN涂层和多元合金增强涂层技术的最新进展;指出了TiAlN涂层刀具在精密模具和汽车零部件加工中的重要作用。

等离子喷涂Al2O3-30％TiO2微米／纳米复合涂层的结构与耐磨性能

采用溶胶-凝胶法合成了不同粒径的Al2O3-30%(质量分数)TiO2纳米复合粉体,用喷雾干燥法对合成粉体进行喷雾造粒,造粒后的粉体通过等离子喷涂制备Al2O3/TiO2复合涂层,最后对涂层结构和性能进行了表征。涂层结构和形貌分析表明制备的涂层具有微米/纳米复合结构,初始粉体粒径对涂层的结构和致密度影响很小;涂层摩擦学性能测试表明复合涂层的磨损率随初始粉体粒径的增大而减小,初始粉体粒径为100nm左右时,复合涂层的磨损率最低。复合涂层的磨损机制为裂纹扩展导致的磨损剥落。

钛合金表面电泳沉积法制备YSZ/HAp纳米复合涂层

采用电泳沉积法在钛合金基体上制备了YSZ/HAp纳米复合涂层,用场发射扫描电镜、X射线衍射和能量散射谱对复合涂层HAp外层的表面形貌和晶相、复合涂层的断面形貌及元素组成分布进行分析研究,通过粘结-拉伸实验测定了涂层与基体的结合强度。结果表明YSZ/HAp纳米复合涂层与钛合金基体的结合强度明显高于HAp单一涂层与钛合金基体的结合强度,说明YSZ/HAp的复合缓和了HAp涂层与钛合金基体之间的热膨胀系数失配现象,改善了涂层与基体之间的结合。

电沉积TiO_2/Ni纳米复合涂层的微结构与性能

采用电沉积法制备出TiO2/Ni纳米复合涂层,考察了搅拌强度对TiO2质量分数的影响,分析了复合涂层的抗高温氧化性能和摩擦学性能.结果表明:当达到中等搅拌强度(3级)时,纳米复合涂层中TiO2的质量分数最大;当TiO2质量分数在9%～13.5%变化时,随着其质量分数的增加,摩擦因数增大,耐磨性增强;随着TiO2质量分数的增加,复合涂层的抗高温氧化性能增强,氧化温度达到了530℃.

飞机外部IMR21纳米复合涂层在典型加速腐蚀环境中的腐蚀失效行为

目的研究IMR纳米复合涂层对飞机外部结构件的防护性能。方法对比考察典型加速腐蚀环境条件下,飞机外部结构模拟件表面聚氨酯面漆涂层和IMR21纳米复合涂层的腐蚀失效行为。结果在经过2个阶段各8个周期的加速腐蚀后,模拟件涂层表面均出现了鼓包、开裂、剥落等现象,而且涂层在第二阶段的腐蚀程度略重于第一阶段。与聚氨酯面漆涂层相比,IMR21纳米复合涂层的腐蚀失效程度要低很多,说明该纳米复合涂层具有优良的抗环境腐蚀性能。结论可考虑在飞机结构制造、大修以及外场维护中采用IMR21纳米复合涂层进行表面防腐涂装处理。

PPS/SiO_2纳米复合涂层抗冲蚀磨损特性研究

采用了附着力测定仪、冲击试验器、冲蚀磨损试验机等手段,对纳米复合涂层、普通涂层的附着力、耐冲击性和抗冲蚀磨损性能进行了研究。探讨了无机物颗粒形态和尺度等因素对两种涂层抗,中蚀磨损性能的影响。结果表明,由于纳米粒子的增强、增韧效果明显,使得纳米复合涂层比普通涂层具有更好的抗冲蚀磨损性能。

磁控溅射AlN/Cu纳米复合涂层的性能研究

采用双靶反应磁控溅射方法制备了Cu含量不同的AlN/Cu纳米复合涂层。采用X射线衍射(XRD)、纳米压痕、X射线光电子能谱(XPS)等方法观察和分析了涂层的结构、力学性能以及内部化学结合状态。XRD结果表明所有涂层中的AlN均为(002)择优取向的六方纤锌矿结构,Cu含量≥4.7%原子比涂层中可以观察到Cu(111)峰的存在。纳米压痕结果表明:Cu含量的多少影响涂层的力学性能,如硬度H、弹性模量E。Cu含量为17.0%时,H=27.3 GPa、E=264.9 GPa,H/E=0.103;随着压入深度从80 nm增加至250 nm,弹性回复值从78.2%降至67.9%。XPS分析表明:对于17.0%Cu含量的涂层而言,电子结合能位于73.5,932.3和933.4 eV处的峰分别对应着Al-N键、Cu-Cu键和Cu-Al键。Cu-Al键的存在说明AlN相与Cu相在两相界面处存在一定的相互化学作用。

丙烯酸酯聚氨酯/SiO_2纳米复合涂层结构与形态对其耐刮伤性影响研究

以四乙氧基硅烷（TEOS）作为主要前驱体，通过改变溶胶一凝胶工艺参数制得了结构和形态各异的丙烯酸酯聚氨酯／SiO2纳米复合涂层，利用TEM、SAXS等手段表征涂层的结构与形态，由洗刷前后涂层的失光率来表征耐刮伤性，详细探讨了纳米复合涂层耐刮伤性与SiO2相特征、有机无机相作用力及SiO2质量分数之间的关系。研究表明：丙烯酸酯聚氨酯涂层中引入纳米SiO2相后，耐刮伤性明显提高。有机相与SiO2相之间的作用力是影响涂层耐刮伤性的最重要因素，作用力越强，耐刮伤性越好。网络状纳米SiO2与颗粒状纳米SiO2相比，更有利于耐刮伤性的提高，且网络状纳米SiO2质量分数越大，耐刮伤性越佳，但SiO2相的致密度和尺寸对耐刮伤性影响较小。对于颗粒状胶体SiO2，在15～160nm范围内，粒径对耐刮伤性没有明显影响；随着胶体SiO2粒子的质量分数增加，耐刮伤性先增大后减小。

PPS/SiO_2纳米复合涂层的制备和性能测试

用乳化剂、分散剂和稳定剂制备了聚苯硫醚(PPS)、纳米SiO2超细粉体的水基涂料,成功地解决了纳米SiO2粉体的团聚问题。通过烧结的方法在试样表面制备了PPS/SiO2纳米复合涂层,涂层中SiO2的粒度在200nm以下。纳米涂层在硬度、耐磨性、耐冲击性和附着力等方面明显高于普通涂层,其耐冲蚀磨损性是普通涂层的50倍。

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。

电化学方法在钛表面制备Co-YSZ/HAp纳米复合涂层

采用复合电沉积和电泳沉积两步法在钛基体上制备了Co-YSZ/HAp纳米复合涂层,与只采用电泳沉积法在钛基体上制备纳米HAp单一涂层进行了比较研究.采用场发射扫描电镜、X射线衍射和能量散射谱对复合涂层的微观形貌,纳米HAp外层表面形貌,晶相,复合涂层的断面形貌及元素组成分布进行分析研究.通过粘结-拉伸实验测定了涂层与基体的结合强度,结果表明,Co-YSZ/HAp纳米复合涂层与钛基体的结合强度明显高于纳米HAp单一涂层与钛基体的结合强度,说明复合涂层具有更好的力学性能.