调制周期对TiN/TiAlN多层薄膜微观结构和摩擦性能的影响

采用电弧离子镀方法制备了TiN/TiAlN多层薄膜,研究了调制周期对薄膜多层结构和摩擦磨损性能的影响。结果表明:在相同的沉积时间内,随调制周期的增加,多层薄膜的层数减少,每一层的厚度增加,层与层之间的区分更加清晰。摩擦磨损测试结果表明:由于多层薄膜的调制结构,引起薄膜对磨层的变化,当多层薄膜的调制周期为54 nm时,多层薄膜的摩擦系数最小;当调制周期为112 nm时,多层薄膜的摩擦系数最高;当调制周期为164 nm时,多层薄膜的磨痕宽度最小。在摩擦磨损过程中,GCr15钢球的磨损面一直处于快速磨损阶段,对磨痕能谱线扫描结果发现磨屑的主要成分是Fe和FeOx。

多弧离子镀制备TiN/TiAlN多层薄膜表面形貌与成分研究

采用多弧离子镀技术在高速钢基体上制备了TiN/TiAlN多层薄膜,用扫描电镜及能谱仪对膜层表面形貌和成分进行了观察与分析,结果表明:随钛靶电流的增大,小液滴的尺寸不仅增大,而且形状更不规则,而无液滴处的Al/Ti原子比呈递减规律;随基体偏压的降低,小液滴有减少的趋势,但这一趋势并不明显,而无液滴采集点的Al/Ti原子比也呈递减规律;基体偏压和钛靶电流对较大尺寸的液滴的影响不大。

多弧离子镀制备TiN/TiAlN多层薄膜性能研究

采用多弧离子镀技术选取钛靶电流分别为60A、70A、80A和基体偏压分别为-240V、-300V、-360V在高速钢基体上制备Ti N/Ti Al N多层薄膜。使用划痕仪、显微硬度计、摩擦磨损试验机和马弗炉对膜层的膜基结合力、显微硬度、摩擦磨损性能和热震性能进行检测。结果表明:在钛靶电流为70A和基体偏压为-240V时膜基结合力最高,同时显微硬度也较高;在基体偏压为-300V的条件下,钛靶电流为70A时的摩擦系数最小,其耐磨性能良好;基体偏压为-240V时的抗热震性能良好。

不同黏度合成油下CrN/TiN多层薄膜的摩擦学特性研究

目的探究在不同黏度合成酯润滑油的作用下,CrN/TiN多层薄膜的摩擦学性能及协同润滑机制。方法选用聚α烯烃(PAO)与三羟甲基丙烷辛癸酸酯(TME)复配,得到不同黏度梯度的合成油。利用全自动黏度测定仪、倾点测试仪、开口闪点测定器和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分别对合成油的运动黏度(40、100℃)、倾点、闪点和表面官能团进行表征。利用反应磁控溅射技术在316不锈钢和单晶硅片基底表面制备CrN/TiN多层薄膜。采用X射线衍射仪和FIB-TEM表征手段对薄膜的微观结构进行分析,并用纳米压痕仪和划痕仪测试了薄膜的力学性能。利用球-盘式摩擦试验机表征薄膜在干摩擦和油润滑条件下的摩擦学性能,利用XPS对摩擦实验后的磨痕元素价态进行表征。结果CrN/TiN薄膜具有典型的面心立方结构(FCC)、异质多层结构,且其硬度可达32.2 GPa。在干摩擦条件下,与裸316基体相比,经表面镀制CrN/TiN薄膜后平均摩擦因数由0.95降至0.71,磨损深度由25.0μm降至16.8μm。在合成油作用下,316不锈钢-GCr15钢球(钢-钢摩擦副)、CrN/TiN多层薄膜-GCr15钢球(CrN/TiN多层薄膜-钢摩擦副)2种摩擦配副的摩擦因数和磨损率随着合成油黏度的增加均呈现降低趋势,且在同一黏度条件下薄膜试样的磨损率更低。结论CrN/TiN多层薄膜在PAO与TME复配获得的一系列不同黏度合成油的作用下,随着合成油黏度的增加,薄膜的磨损率和磨损深度逐渐下降,其减摩抗磨性能得到显著提升。通过磨痕表面的XPS分析可知,合成油中极性的酯基吸附在滑动界面,增强了油膜的承载性能,从而减缓了对偶间的摩擦阻力。

脉冲偏压幅值对TiN/TiAlN多层薄膜微观结构和性能的影响

采用电弧离子镀的方法,通过改变脉冲偏压幅值在M2高速钢表面制备了TiN/TiAlN多层薄膜,研究了脉冲电压幅值TiN/TiAlN多层薄膜微观结构和性能的变化。随着脉冲偏压幅值的增加,薄膜表面的大颗粒数目明显减少。EDX结果表明,脉冲偏压幅值的增加还引起Al/Ti原子比的降低。TiN/TiAlN多层薄膜主要以(111)晶面为择优取向生长,随着脉冲偏压幅值的增加,峰值强度逐渐增强,晶粒尺寸在8 nm～14 nm。制备的TiN/TiAlN多层薄膜的硬度都超过36 GPa,是M2高速钢基体硬度的3.9倍以上,膜基结合力均达到60 N以上。摩擦磨损测试结果表明,TiN/TiAlN多层薄膜具有良好的抗磨损性能。

脉冲偏压对电弧离子镀Ti/TiN纳米多层薄膜显微硬度的影响

采用脉冲偏压电弧离子镀方法在高速钢基体上沉积Ti/TiN纳米多层薄膜,采用正交实验法设计脉冲偏压电参数,考察脉冲偏压对Ti/TiN纳米多层薄膜显微硬度的影响.结果表明,在所有偏压参数(脉冲偏压幅值、占空比和频率)和几何参数(调制周期和周期比)中,脉冲偏压幅值是影响显微硬度的最主要因素;当沉积工艺中脉冲偏压幅值为900V、占空比为50%及频率为30kHz时,薄膜硬度可高达34.1GPa,此时多层膜调制周期为84nm,TiN和Ti单元层厚度分别为71和13nm;由于薄膜中的单层厚度较厚,纳米尺寸的强化效应并未充分体现于薄膜硬度的贡献中,硬度的提高主要与脉冲偏压工艺,尤其是脉冲偏压幅值对薄膜组织的改善有关.

多弧离子镀沉积TiAlN/TiN多层膜的结构与性能

为研究调制周期对薄膜结构和性能的影响,采用多弧离子镀技术在高速钢上制备TiAlN/TiN多层膜,通过改变调制周期制备了不同层数的TiAlN/TiN多层膜,使用扫描电子显微镜(SEM)、XP-2台阶仪、X线衍射仪(XRD)和维氏硬度计对薄膜的表面形貌、厚度、物相结构和硬度进行测量,并对实验结果进行分析和讨论.结果表明:TiAlN/TiN多层薄膜中膜层的择优生长方向主要表现为Ti Al N相的(0010)取向;调制周期的改变对薄膜的沉积速率基本没有影响;随着调制周期的减小,样品的表面质量提高,显微硬度明显变大.

TC4钛合金表面电弧离子镀TiN／CrN纳米多层薄膜研究

用电弧离子镀技术在TCA钛合金基体上通过改变偏压制备了4组TiN／CrN薄膜，对薄膜的表面形貌、厚度、相结构、硬度、膜基结合力和摩擦系数等组织、性能进行了测试表征。结果表明，薄膜是由TiN相和CrN交替叠加构成的纳米多层薄膜，薄膜的调制周期为60nm，总的厚度约为480nm。与基体钛合金相比，镀膜后样品的表面性能与偏压幅值密切相关并有显著提高：显微硬度从基体的3GPa提高到16．5-24．7GPa；摩擦系数从基体的0．35大幅度降低到0．14—0．17；薄膜与基体结合牢固，膜基临界载荷在60-80N之间。经电弧离子镀TiN／CrN纳米多层薄膜处理后，TC4钛合金可以满足沙粒和尘埃磨损条件下的耐磨性能要求。

多弧离子镀沉积Ti/TiN多层薄膜的摩擦磨损及电化学性能

软硬交替多层结构的薄膜因其优异的抗摩擦磨损性能和耐腐蚀特性使其在工程领域具有重要的应用价值。利用多弧离子镀在不锈钢和Si(100)表面沉积了Ti N单层薄膜和3种不同Ti/Ti N调制比的多层膜,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、CSM摩擦磨损试验机和电化学工作站分别分析了薄膜的结构特征、耐磨损性能和电化学性能。结果表明:多层膜层状结构明显,Ti N相出现(111)面择优取向;Ti与Ti N沉积时间比为1∶5的样品具有较低的摩擦因数(0.26)和磨损率(6.6×10–7 mm3·N–1·m–1);在3.5%Na Cl溶液中,多层膜样品的腐蚀电流密度较不锈钢基体降低了两个数量级,腐蚀电位较不锈钢基体明显提高,表明多层膜可以提高不锈钢基体的耐腐蚀性。

TiN/NbN纳米多层薄膜的交变应力场和超硬效应

为了研究纳米多层薄膜的超硬效应 ,采用反应溅射法制备从 1 4nm至 2 7nm不同调制周期的一系列TiN/NbN纳米多层膜。高分辨电子显微镜对薄膜的调制结构和界面生长方式的观察发现 ,TiN/NbN膜具有很好的调制结构 ,并呈现以面心立方晶体结构穿过调制界面外延生长的多晶超晶格结构特征。显微硬度测量表明 ,TiN/NbN纳米多层膜存在随调制周期变化的超硬效应。薄膜在调制周期为 8 3nm时达到HK39 0GPa的最高硬度。分析认为 ,两种不同晶格常数的晶体外延生长形成的交变应力场 ,对材料有强化作用 。

磁控溅射Fe-N薄膜及Fe-N/TiN多层膜的结构和磁性

用磁控溅射法制备了Fe N薄膜和Fe N/TiN多层膜。结果表明 ,在常温下 ,使用较小的氮、氩比溅射 ,生成的Fe N薄膜主要是含氮α Fe固溶体 ,并且N原子进入α Fe晶格是饱和磁化强度提高的一个原因。Fe N/TiN多层膜的层间耦合作用以及减小每一Fe N层厚度而引起的晶粒尺寸的减小可以有效地降低薄膜的矫顽力 。

Ti/TiN纳米多层薄膜改性层在Troyde's模拟体液中的抗腐蚀性能

用电弧离子镀设备,在医用不锈钢基体上沉积Ti/TiN纳米多层薄膜,考察薄膜在Troyde's模拟体液中的抗腐蚀性能.结果表明,在中性与酸性模拟体液中316L+Ti/TiN(45/45s) 体系的击穿电位分别提高5倍和2倍,腐蚀电流密度为基体的1/8与1/3,明显降低发生局部腐蚀的敏感性,但滞后环的出现说明薄膜被击穿后自修复能力较差.分析说明薄膜的纳米多层结构与纯Ti层的存在可有效提高医用不锈钢在Troyde's模拟体液中的抗点蚀能力.

TiN/TiCN多层调制结构薄膜的结构和力学性能研究

以304不锈钢为基体,利用复合离子镀技术制备了TiN/TiCN多层膜,主要研究了不同调制周期下薄膜组织结构和力学性能的变化规律。结果表明:不同调制周期下得到的TiN/TiCN多层膜表面比较致密、平整,随着调制周期的减小,表面质量有一定改善。多层膜结构主要由fcc-TiN型固溶体构成,不存在a-C结构。随着调制周期的减小,物相分析表明TiN/TiCN多层膜发生了择优生长,出现了(111)晶面生长织构,其纳米硬度和弹性模量逐渐增大,在调制周期λ=0.15μm时达到最大值,分别为35.56GPa和436.2GPa。

电弧离子镀TiN和TiAlN薄膜的机械性能研究

采用电弧离子镀在高速钢表面沉积TiN和TiAlN薄膜,并比较两种薄膜的机械性能。为模拟实际生产情况,利用对外开展技术服务的机会,沉积薄膜同时在真空腔室内放置近1000支冲棒。基材高速钢经镀2.0μm TiN和1.8μm TiAlN薄膜后硬度分别提高至2 661HK、3 570HK左右。由于Al原子的固溶强化作用,镀TiAlN薄膜硬度提高比TiN薄膜更为显著。TiAlN薄膜与基材的结合力明显低于TiN薄膜,适用于受力较小的工作条件,这可能是由于薄膜塑性较差及内应力较大共同影响所致。

TiAlN/TiN纳米多层膜的微结构与力学性能

采用多靶反应磁控溅射制备了一系列TiAlN层厚固定,TiN层厚在一定范围内连续变化的不同调制结构的TiAlN/TiN纳米多层膜,并使用X射线衍射分析、扫描电子显微镜、纳米压痕仪和CETR-UMT-3型多功能摩擦磨损试验机对多层膜的微观结构和力学性能进行了表征和分析。研究结果表明:TiAlN/TiN纳米多层膜形成了周期性良好的成分调制结构,其中TiN层的插入并没有打断TiAlN层的柱状晶生长。在一定的调制周期下,TiN层和TiAlN层能够形成共格外延生长结构,多层膜呈现硬度异常升高的超硬效应,当TiN层厚约为1.6 nm时多层膜的硬度达到最大值50 GPa,并具有相比于TiAlN单层膜更低的摩擦系数。进一步增加TiN层厚,由于多层膜共格界面结构的破坏,多层膜的硬度随之降低。

脉冲偏压电弧离子镀Ti/TiN纳米多层薄膜的结构与硬度

采用脉冲偏压电弧离子镀设备在高速钢基体上沉积Ti/TiN纳米多层硬质薄膜,通过仅改变偏压幅值的方法进行对比实验。XRD分析和薄膜断截面SEM形貌显示出薄膜的纳米多层组织结构;硬度测试表明纳米多层薄膜硬度随脉冲偏压升高而升高,在-900V时超过同等条件制备的TiN单层薄膜,硬度高达34.1GPa;分析表明硬度的提高主要与脉冲偏压工艺对薄膜组织的改善有关;用脉冲偏压电弧离子镀可以制备纳米多层硬质薄膜,并且在工艺控制上相对简单。

多弧离子镀TiN、TiAlN膜层性能的研究

采用多弧离子镀技术,在20CrMnSi钢基体上沉积了TiN、TiAlN膜层。使用球坑仪、显微硬度计、划痕仪、磨损实验机和盐雾箱对膜层的厚度、显微硬度、结合力、磨损性能和耐盐雾腐蚀性能进行检测。结果表明:随膜层厚度的增大,两种膜层的硬度和耐盐雾腐蚀性升高,结合力降低,耐磨性先升高后降低,且在膜层厚度为9μm时耐磨性最高。二者相比,TiAlN膜层优于TiN膜层。

TiN缓冲层厚度对立方AlN薄膜显微组织结构的影响

为了提高亚稳立方Al N薄膜的外延质量,采用激光分子束外延法,以Ti N为缓冲层在Si(100)衬底上制备立方Al N薄膜,主要研究了Ti N缓冲层厚度对立方Al N薄膜结晶质量和表面形貌的影响。结果表明,以Ti N为缓冲层可制备出高取向度的立方Al N薄膜,当缓冲层沉积时间为30 min时,立方Al N薄膜的结晶质量最好,表面最平整。

微纳尺度TiN多层薄膜/涂层力学性能研究进展

TiN纳米多层薄膜/涂层由于其高的硬度、耐磨性和断裂韧性等优点在精密刀具和模具方面备受青睐。近些年TiN纳米多层薄膜在力学性能方面的研究主要集中于超硬性能、摩擦磨损性以及断裂韧性三个方面。本文分别从膜层间作用关系、微观结构以及裂纹扩展机制等角度讨论多层构造对薄膜的超硬性能、耐磨性性以及断裂韧性的影响机理。提出超硬机理指导薄膜制备,残余应力影响裂纹的双重效应,建立多层微观结构与宏观力学性能映射关系三个研究方向,以期为研究TiN纳米多层薄膜力学性能提供新思路。另外,简单介绍了多层结构能够提升薄膜的高温抗氧化性和耐腐蚀性,并展望了TiN纳米多层膜的发展方向。