H13钢表面同质激光熔覆中WC微合金化行为及摩擦学性能研究

采用激光熔覆技术在H13钢基体上制备了不同碳化物含量的同质熔覆层,研究了同质熔覆层的微观结构特征及摩擦学性能。借助X射线衍射仪、扫描电镜分析了同质熔覆层的物相变化规律和微观组织形貌特征,采用显微硬度计、摩擦磨损实验机和激光共聚焦显微镜研究了熔覆层的硬度变化特征及摩擦磨损性能,并阐明了微结构与摩擦学性能之间的相关性。结果表明,同质激光熔覆层与基体实现优良的冶金结合,同质粉末与WC产生微合金化反应,从原铁素体改变为奥氏体相,并生成以网络状弥散分布的新硬质相,细化晶粒的同时进一步强化晶界。网络状分布的硬质相产生“鹅卵石”效应,可使熔覆层硬度高达1104HV,摩擦系数低于0.51,比磨损率低于2.24×10-8 mm^(3)/(N·m),耐磨损性能较基体提升17.62倍。

脉冲直流等离子体增强化学气相沉积Ti-Si-N纳米薄膜的摩擦磨损特性

采用工业型脉冲等离子体增强化学气相沉积设备,通过调节氯化物混合比例控制薄膜成分,在高速钢基材表面于550℃下沉积由纳米晶TiN和纳米非晶Si3N4组成的Ti-Si-N复合薄膜;采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪及X射线光电子能谱仪分析了薄膜的结构、组成和化学状态;采用球-盘高温摩擦磨损试验机考察了薄膜同GCr15钢对摩时的摩擦磨损性能.结果表明:薄膜的Si含量在0%～35%范围内变化,随着Si含量增大,薄膜沉积速率增大,但薄膜由致密形态向大颗粒疏松态过渡;薄膜的晶粒尺寸为7～50nm;Ti-Si-N薄膜的显微硬度高于TiN的硬度,最高可达60GPa;引入少量Si可以显著改善TiN薄膜的抗磨性能,但薄膜的摩擦系数较高(室温下约0.8、400℃下约0.7);随着Si含量的增加,Ti-Si-N薄膜的耐磨性能有所降低,其原因在于引入导电性较差的Si元素使得薄膜的组织变得疏松.

Ti-Si-N纳米复相薄膜及Si含量对脉冲直流PCVD镀膜质量的影响

用工业型脉冲直流等离子体增强化学气相沉积(PCVD)设备,在高速钢(W18Cr4V)表面沉积Ti-Si-N三元薄膜,研究了不同N2流量对薄膜组织及性能的影响.结果表明;随N2流量增大,膜层沉积速率及膜层中Si含量减少,薄膜组织趋于致密,膜层颗粒尺寸明显减小,划痕法临界载荷和显微硬度显著增加,硬度最高可达50GPa以上.研究发现,对应N2流量,薄膜相组成发生变化,依次存在有TiN/a-Si3N4/Si,TiN/a—Si3N4/TiSi2/Si,TiN/a-Si3N4/TiSi2三种相组成形式.分析认为,低N2或高Si效果不佳的原因在于直流PCVD是以工件为阴极,膜层中过多的Si3N4和Si将严重劣化阴极的电导性,致使膜层疏松,说明脉冲直流PCVD与射频PCVD存在很大的区别.

氧杂质致Ti-Si-N薄膜高硬度损失的机理

基于纳米复合Ti-Si-N薄膜硬度对界面相微结构及微尺度变化极为敏感的实验事实,定量表征了薄膜的硬度与氧杂质含量的关系.结果表明,与高纯度薄膜40-55 GPa高硬度比较,1%-1.5%的氧杂质含量导致薄膜的硬度下降到30 GPa左右.根据纳米晶界面原子模型和实验结果,氧杂质与纳米尺度界面交互作用所引发的微尺度缺陷是硬度下降的诱因,晶界面的氧杂质密度是薄膜高硬度损失程度的决定因素,单个纳米晶周围的氧杂质覆盖度达到10个原子以上时,薄膜的硬度只能达到30 GPa.

残余氧对TiN+Si_3N_4纳米复合薄膜硬度的影响

用直流等离子体增强化学气相沉积设备在不锈钢表面沉积纳米晶TiN和纳米非晶Si3N4复相薄膜.主要研究了氧元素对薄膜硬度的影响.结果表明,薄膜中极其微量的氧含量就会使nc-TiN+a-Si3N4薄膜的硬度大幅降低.薄膜中氧含量小于0.2％(原子分数),薄膜硬度可以达到45-55 GPa,而氧含量升至1％-1.5％后,薄膜硬度降至30 GPa左右.其原因与晶界处形成SiOx相有关.

TiN基纳米复合超硬薄膜的摩擦磨损特性

分别用磁控溅射、脉冲直流和射频等离子体辅助化学气相沉积(PCVD)技术得到了TiN、TiSiN、TiBN及Ti-C-N纳米复合超硬薄膜。用球盘式摩擦磨损试验考察了各种薄膜的磨损特性。结果表明此类纳米复合超硬薄膜的抗磨损性能比单纯的TiN薄膜有显著提高,但复合薄膜的室温摩擦因数较高,高温下摩擦因数也仅有轻微降低,可能由于表层生成减摩氧化层所致。特别对于TiSiN薄膜,随薄膜中Si含量的上升,其耐磨损性能有所下降。

纳米Ti-Si-N薄膜的高温热稳定性

用直流等离子体增强化学气相沉积(PCVD)方法在不锈钢基体上制备了Ti-Si-N硬质纳米复合薄膜,研究了Si含量对薄膜硬度的影响及高温退火对薄膜晶粒尺寸及其硬度的影响.结果表明:薄膜的硬度随着Si含量的增加有先增大后减小的趋势,最大硬度可达70 GPa以上.薄膜表现出了较高的热稳定性能,对于晶粒尺寸在4 nm以下的薄膜,Ti-Si-N薄膜的纳米结构和硬度可以维持在1000℃以上.沉积态薄膜的品粒尺寸是影响薄膜再结晶温度的主要因素.薄膜的高热稳定性是由于沉积过程中发生的自发调幅分解形成了纳米复合结构,偏析使得纳米晶晶界具有强的热力学稳定性.

纳米复合Ti-B-N薄膜的结构和摩擦学性能

研究了射频等离子体辅助化学气相沉积(PCVD)技术获得的Ti-B-N薄膜的组织结构和力学性能。结果发现,B元素的加入使薄膜中出现TiN纳米晶和BN非晶(nc-TiN/a-BN)的复合结构,其硬度显著高于TiN薄膜,最高可达40GPa。用球盘式摩擦磨损实验考察了薄膜的磨损特性。结果表明:与TiN薄膜相比,Ti-B-N薄膜抗磨损性能有显著提高,磨损机制与TiN薄膜不同,摩擦系数较TiN稍高。

反应磁控溅射制备Ti-Si-N薄膜的摩擦磨损性能

用反应磁控溅射方法,在不锈钢表面沉积Ti Si N薄膜。用原子力显微镜观察薄膜的表面形貌,Ti Si N颗粒尺寸小于0.1μm,用亚微压入仪测试薄膜硬度,当硅的摩尔分数为9.6%时,薄膜硬度出现最大值47GPa。球盘式摩擦磨损结果表明,Ti Si N薄膜的耐磨性能明显优于TiN薄膜,加入少量硅元素后,TiN薄膜的抗磨损性能有显著提高,但Ti Si N薄膜的室温摩擦系数较高(0.6～0.8),高温下摩擦系数也仅轻微降低(550℃,0.5～0.6)。由于Ti Si N薄膜的摩擦系数可能与磨损中氧化物生成量的增加有关,常温下Ti Si N薄膜的摩擦系数随硅摩尔分数的增加而增大,而高温下Ti Si N薄膜的摩擦系数随硅含量上升而降低。

脉冲直流PCVD制备Ti-Si-N薄膜的电化学腐蚀行为

用工业型脉冲等离子体增强化学气相沉积设备,在550℃的高速钢基材表面沉积由纳米晶TiN,纳米非晶Si3N4以及纳米或非晶TiSi2组成的复相薄膜.通过改变氯化物混合比例调节薄膜的成分.薄膜中的Si含量在0 at%～35 at%范围内变化.结果表明,当加入少量Si元素后,由于非晶相的产生,TiN薄膜的耐腐蚀性能显著提高,并在一定Si含量的薄膜中发生了负腐蚀现象.但由于Si的低导电性能,致使高硅含量薄膜颗粒粗大,因此更高Si含量薄膜的耐腐蚀性能又有所下降.

纳米复合超硬薄膜的结构、性能表征

该文分别用直流、脉冲直流和微波等离子体辅助化学气相沉积(PCVD)技术得到了Ti—si—N、Ti—B—N及Ti—Al—si—N纳米复合超硬薄膜,结合微观分析和宏观性能表征,给出了它们的纳米结构特征及其与力学性能的关系,基于工业运用背景,探索了纳米复合薄膜的热稳定性。

脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积TiN和TiCN薄膜摩擦磨损特性研究

对比研究了脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积TiN和TiCN薄膜的摩擦磨损特性,用扫描电子显微镜、X射线衍射仪及销-盘摩擦磨损试验机分析薄膜形貌和结合力,考察了不同沉积条件下2种薄膜的摩擦磨损过程及其影响因素.结果表明,TiCN薄膜具有较高硬度、良好的膜基结合力,相对于TiN薄膜而言表现出更低的摩擦系数和更好的耐磨性能.在实际使用中应注重成分和结构优化设计,以保证薄膜具有良优良的减摩性能.

Si掺杂对纳米硬质CrAlN涂层结构及性能影响

采用真空阴极电弧离子镀技术在V-4E工具钢表面制备了CrAlN、CrAlSiN两种多元纳米硬质涂层。采用划痕仪、工具显微镜、显微硬度计、球磨仪、SEM、EDS、XRD、TEM及XPS分析了涂层的力学性能、摩擦学性能以及微结构。结果表明:与CrAlN涂层相比,CrAlSiN涂层中Si的掺杂能使晶粒细化,提高涂层硬度和耐磨性、优化膜基结合水平;CrAlSiN涂层中的立方相CrN由(111)择优取向向(200)择优取向转变,晶粒尺寸明显减小,相结构为非晶态Si_3N_4包覆纳米晶复合混合框架结构。

脉冲直流PCVD制备Ti(C,N)薄膜及其组织结构分析

用工业型脉冲直流等离子体化学气相沉积(PCVD)设备,针对不同混合气体CH_4所占比例,在H13模具钢表面沉积了Ti(C,N)薄膜。用SEM观察薄膜断口形貌,用XRD及XPS分析薄膜相组成和价态。结果表明:一定量碳元素的加入,抑制了TiN薄膜中柱状晶的生长,并且阻止了TiN晶粒的长大。Ti(C,N)的相结构可能为TiN和TiC两相混合,但在C(或N)含量较低的膜层中,C(或N)原子也会以置换的方式存在于TiN(或TiC)单相组织中。

Ti-Si-N纳米复合薄膜的结构与性能

用工业型脉冲直流等离子体增强化学气相沉积技术,在高速钢(W18Cr4V)表面沉积了Ti-Si-N复合薄膜,研究了Ti-Si-N复合薄膜的微观组织和力学性能.结果显示,薄膜相结构为纳米晶TiN和纳米晶或非晶TiSi2以及非晶相Si3N4;在Si含量为5.0 at%～28.0 at%范围内,薄膜的晶粒尺寸逐渐变大;Ti-Si-N薄膜的显微硬度相对于TiN有明显增加,最高硬度可达40 GPa;高温退火后,Ti-Si-N纳米复合薄膜的显微硬度与晶粒尺寸在800℃高温下仍然保持稳定.

基体材料对AlCrN硬质涂层结构及摩擦学性能的影响

采用真空阴极多弧离子镀技术,分别在Cr8、W6、Cr12及V-4E四种不同材质模具钢表面制备了Al Cr N多元纳米硬质涂层。利用划痕仪、工具显微镜、HV显微硬度计、球磨仪、SEM及XRD对Al Cr N涂层硬度,膜层厚度、结合力、摩擦系数进行了对比测试,并对涂层磨痕宽度、划痕宽度、表面形貌及相结构进行了表征。结果表明:相对于其它三种基材,V-4E基材的Al Cr N涂层显微硬度更高、膜基结合力更好、摩擦系数更低、耐磨性最好;四种基材的表面形貌基本一致,均有大颗粒及凹坑,V-4E基材Al Cr N涂层的晶粒尺寸最小,沉积的Al Cr N涂层结构更致密,耐磨性更优异。

非晶壳层SixN/SiyC包覆硅量子点的微结构表征

通过磁控溅射技术和1100℃的高温后退火处理,在富硅碳化硅薄膜中形成高密度小尺寸的硅量子点,硅量子点的结构由X射线光电子能谱和高分辨透射电镜进行表征,结果表明,在高温退火过程中,碳化硅薄膜发生了相分离,硅和碳的化学结合态在热力学的驱动下形成稳定的Si-Si键和Si-C键,同时,氮原子钝化了分解过程中形成的Si悬挂键,在硅量子点的表面形成SixN/SiyC非晶壳层。这种非晶壳层包覆量子点的结构配置非常有利于形成稳定的超小硅量子点 （1-3 nm）,此结构的量子效应所产生的光吸收了从绿光到紫外光的光谱范围,大幅度提高光伏太阳能电池的光电转换效率。

Ti-Si-N纳米复合超硬薄膜的高温热稳定性

用脉冲直流等离子体增强化学气相沉积(PCVD)方法在高速钢(HSS)基体上制备了Ti-Si-N薄膜,重点从不同温度退火后薄膜相结构、晶粒尺寸和显微硬度的变化等方面,探讨了不同Si含量的Ti-Si-N薄膜的高温热稳定性。结果表明:Ti-Si-N薄膜在900℃以内退火处理后,晶粒尺寸和显微硬度并无明显突变,尤其是Si含量较低时,在800℃,晶粒尺寸和显微硬度几乎没有变化,表明Ti-Si-N薄膜具有非常良好的高温热稳定性,这可能与薄膜相形成在高温下仍为调幅分解有关。

不同氮分压制备纳米复合Zr-Si-N薄膜的组织与性能研究(英文)

利用射频反应磁控溅射设备在不同N2分压下制备了Zr-Si-N纳米复合薄膜。研究了N2分压对薄膜组织和性能的影响。结果表明:随着N2分压的增加,薄膜中Zr、Si元素含量比降低,且薄膜方电阻增加;Zr–Si–N薄膜的微观组织由纳米晶ZrN嵌入SiNx非晶基体构成,在低N2分压条件下,有少量Zr2Si形成。Zr2Si的形成与低N反应活性相关。在0.03PaN2分压条件下,Zr-Si-N薄膜硬度达到22.5GPa的最大值。高N2分压制备薄膜硬度较低可能与Si原子造成的晶格畸变相关。

泡沫镍衬底上生长二氧化锡纳米线的生长行为及光致发光性能研究

采用热蒸发法,在镀有Au(金)的多孔泡沫镍基底上生长了SnO_2纳米线,生长温度分别为750℃、800℃和850℃,分别利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)研究了生长温度对纳米线生长行为的影响,采用X射线光电子能谱仪(XPS)研究了样品的元素结合态,采用荧光光谱仪研究了样品的室温光致发光(PL)性能。结果证明,生长温度对SnO_2纳米线形貌、尺寸、密度等形态学特征影响显著。在750℃下,SnO_2为颗粒状; 800℃生成了较高密度的SnO_2纳米线,且随温度升高纳米线产量增加、直径显著增大;在850℃下其直径增大至微米级。对室温光致发光性能的研究发现,随生长温度升高,在SnO_2产量增加和氧缺陷浓度的提高的共同作用下,导致其发光性能随之显著提高。