磁控溅射(AlCrNbTiVCe)N涂层的高温摩擦学机理

高熵合金涂层作为航空发动机轴承防护涂层有重大的潜在应用价值,鉴于其服役环境日益严苛复杂,进一步提高涂层的高温摩擦学性能是十分必要的。通过非平衡射频磁控溅射技术制备含Ce元素的(AlCrNbTiVCe)N涂层,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS)表征涂层磨损后的微观形貌、物相和价态,用纳米压痕仪、球盘式摩擦磨损试验机测试涂层的力学性能和摩擦学性能,探讨Ce对涂层微观结构、高温稳定性和摩擦磨损的影响与机制。结果表明,(AlCrNbTiVCe)N涂层主要由多元金属氮化物和单质Ce相组成。引入Ce元素改善了涂层组织结构,提高了高温抗软化能力,有助于涂层摩擦磨损性能的改善。与不含Ce的涂层相比,500℃下(AlCrNbTiVCe)N涂层的摩擦因数和磨损率分别下降27.5%和45.6%,其氧化磨损占主要磨损机制。该涂层高温摩擦学性能的提升主要是由于高温摩擦过程中涂层表面生成了氧化铈,增强了高温稳定性;氧化铈具有润滑特性,起到了减磨耐磨作用。在磁控溅射制备高熵涂层中,引入稀土元素,可为提高涂层高温摩擦学性能的提供借鉴。

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。

B和Si掺杂对CrAlN涂层结构和切削钛合金寿命的影响

目的 CrAlN涂层以其优异的抗氧化性能被广泛应用于切削刀具涂层领域,针对CrAlN涂层热稳定性较低,在超过900℃后会发生热分解,导致其力学性能显著下降的问题,通过B、Si共掺杂方法改善CrAlN涂层的性能。方法 采用阴极弧蒸发方法制备Cr_(0.42)A1_(0.58)N、Cr_(0.35)Al_(0.59)B_(0.06)N、Cr_(0.37)Al_(0.54) Si_(0.09)N涂层,借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪,通过划痕和切削实验研究B和Si掺杂对CrAlN涂层晶体结构、硬度、结合力、热性能和切削寿命的影响。结果 Cr_(0.42)A1_(0.58)N和Cr_(0.35)A1_(0.59)B_(0.06)N涂层为单相立方结构,Cr_(0.37)Al_(0.54)Si_(0.09)N涂层为立方和六方的两相结构;Cr_(0.42)A1_(0.58)N、Cr_(0.35)Al_(0.59)B_(0.06)N、Cr_(0.37)A1_(0.54)Si_(0.09)N涂层的硬度分别为(29.8±1.5)、(36.9±1.4)、(33.8±1.6)GPa,与基体的结合力分别为116.2、58.3、58.0 N;通过B和Si掺杂抑制了CrAlN涂层的热分解过程,Cr-N键的断裂起始温度由Cr_(0.42)A1_(0.58)N的1 000℃提高到Cr_(0.35)Al_(0.59)B_(0.06)N的1 200℃和Cr_(0.37)Al_(0.54)Si_(0.09)N的1 100℃;在1 100℃下氧化15 h后,Cr_(0.42)A1_(0.58)N、Cr_(0.35)Al_(0.59)B_(0.06)N、Cr_(0.37)Al_(0.54)Si_(0.09)N涂层的氧化层厚度分别为2.38、1.80、0.53μm。结论 通过B和Si掺杂提高了CrAlN涂层的力学性能、热稳定性和抗氧化性,其中CrAlBN涂层呈现出最优异的热稳定性和切削性能,CrAlSiN涂层的抗氧化性最佳。

TiC_(0.91)N_(0.09)和TiC_(0.77)N_(0.23)涂层高温抗氧化性能的研究

目的研究2种不同碳含量的TiCN涂层的抗氧化性能,为改善TiCN涂层抗氧化性能提供理论依据。方法在WC-Co硬质合金上化学气相沉积TiC_(0.91)N_(0.09)和TiC_(0.77)N_(0.23)涂层,采用热重法和静态氧化在900℃进行氧化试验。采用X射线衍射仪、拉曼光谱仪和场发射扫描电镜分析氧化前后涂层的物相组成和微观形貌。比较TiC_(0.91)N_(0.09)和TiC_(0.77)N_(0.23)涂层的抗氧化性能,分析涂层氧化动力学和氧化机理。结果TiC_(0.91)N_(0.09)涂层的氧化质量增量和氧化膜厚度都大于TiC_(0.77)N_(0.23)涂层。TiCN涂层900℃下的热重曲线分线性、抛物线2个阶段。TiC_(0.91)N_(0.09)和TiC_(0.77)N_(0.23)涂层分别于0.225、0.81 h进入抛物线阶段,拟合方程分别为ΔM_(2)=37.23-137.84 t+131.20 t~2和ΔM_(2)=93.89-199.74 t+112.60 t~2。相比于TiC_(0.77)N_(0.23)涂层,TiC_(0.91)N_(0.09)涂层进入扩散控制的抛物线阶段更早,抛物线阶段的氧化速率更快,氧化质量增量更大。TiC_(0.91)N_(0.09)涂层在氧化反应过程中的产气量更大,形成的金红石型TiO_(2)氧化膜更疏松,孔隙、发状裂隙、裂纹等缺陷更多,更易形成连续的扩散通道,O、Ti、W、Co等元素在TiC_(0.91)N_(0.09)涂层氧化膜内的扩散更快,生成更多的基体氧化产物WO_(3)和Co WO_(4),基体氧化物WO_(x)的挥发又会导致涂层氧化更严重。结论TiC_(0.77)N_(0.23)涂层的抗氧化性能优于TiC_(0.91)N_(0.09)涂层。抑制元素在氧化膜中的扩散可有效提高TiCN涂层的抗氧化性能。热重法能获得更丰富的氧化动力学信息,是涂层抗氧化性能和机理研究有效的试验方法。

偏压梯度TiAlN涂层对TC4钛合金振动与拉伸疲劳性能的影响与机理

目的 探究偏压梯度TiAlN涂层对基体疲劳性能的影响规律和疲劳损伤机理。方法 利用磁过滤阴极真空弧技术和连续改变偏压的沉积工艺,在TC4钛合金表面沉积了偏压梯度TiAlN涂层,并采用扫描电镜、轮廓仪、纳米压痕和划痕仪表征测试了TiAlN涂层的微观结构和内应力、表面硬度、膜基结合力等基本力学性能。对TiAlN涂层试件的振动和拉伸疲劳性能分别进行了考核,通过观察试件疲劳断口形貌,探究了偏压梯度TiAlN涂层/基体的疲劳损伤机理。结果 TiAlN涂层中Al元素含量沿深度方向一直在降低,偏压工艺成功制备出梯度结构涂层。偏压梯度TiAlN涂层的内应力为压缩状态,数值为(2.66±0.23) GPa,显著低于对应恒压涂层(-200V)。偏压梯度TiAlN涂层试件平均振动强度和拉伸疲劳强度分别为370.90、377.90 MPa,前者相对于TC4基体提高了47.7%,后者几乎保持不变。结论 TiAlN涂层内部存在残余压应力,具有一定抗裂纹萌生能力,TC4钛合金表面制备偏压梯度TiAlN涂层后,两种受载类型下的疲劳裂纹源均位于涂层与基体界面处。振动受载时,涂层中梯度结构抑制了裂纹的扩展,疲劳强度提高;拉伸受载时,TiAlN涂层部分发生破碎,抑制裂纹萌生与促进裂纹扩展两种机制同时存在,疲劳强度几乎不变。

氮氩流量比对NiTiAlCrN涂层抗空蚀性能的影响

通过改变通入氮气与氩气的比例,探究不同N含量NiTiAlCrN涂层的结构与性能。采用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪等表征涂层材料的组织结构和形貌,超声振动空蚀机对涂层进行空蚀实验,探究NiTiAlCrN涂层空蚀破坏的机理。结果表明,NiTiAlCrN涂层呈面心立方结构,在(111)和(200)晶面呈现择优取向。随着氮氩流量比增加,硬度、弹性模量和抗空蚀性能先升高后降低。氮氩流量比为1∶1时涂层的结构最致密,晶粒最细,硬度最高,抗空蚀性能最强。氮氩流量比为3∶2时涂层所能承受的弹性势能最大,韧性最强,但抗空蚀的能力低于氮氩流量比为1∶1时的涂层,说明硬度比弹性模量对涂层抗空蚀方面的影响更大。在空蚀坑的内壁发现大量的Cr_(2)O_(3)、Al_(2)O_(3)等具备抗空蚀性的氧化物,减轻微射流的冲击,降低对涂层的进一步损坏。

Al含量对(Ti,Al)N涂层结构性能的影响

(Ti,Al)N是20世纪80年代未期在TiN基础上发展起来的一种新型多元涂层材料。由于加入Al元素,(Ti,Al)N不但硬度、耐磨性优于TiN,而且大大改善了涂层的抗高温氧化性能。综述了Al元素在(Ti,Al)N涂层中的作用机理,以及Al含量对(Ti,Al)N涂层的晶体结构、抗高温氧化、硬度和耐磨性的影响。指出当Ti和Al的比例近似为1:1时,(Ti,Al)N涂层将获得优越的综合使用性能。

(Ti,Al)N涂层的微观组织和性能

采用EPMA、XRD、SEM、TEM、HR-TEM、EDX、纳米压痕、氧化实验和切削实验研究了磁控溅射在硬质合金基体上沉积TiN涂层和(Ti,Al)N涂层的微观组织结构和性能。结果表明:TiN涂层晶粒为喇叭口柱状晶,(Ti,Al)N涂层为面心立方平直柱状晶,由于固溶了Al元素,(Ti,A l)N涂层呈(200)面择优生长;(Ti,Al)N涂层在硬质合金基体上无外延生长;(Ti,Al)N涂层在800℃氧化后形成Al2O3/TiO2/(Ti,Al)N的分层结构;(Ti,Al)N涂层具有更高的硬度和更好的切削性能。

工艺参数对直流溅射沉积CrAlN涂层结构和性能的影响

采用直流反应磁控溅射的方式,用AlCr合金靶,在高速钢(M2)上沉积CrAlN涂层。采用扫描电镜、X射线衍射、能谱和纳米压痕仪等分析和测量手段,系统研究了Ar/N2气流比、气压和基片温度等工艺参数对CrAlN涂层结构和性能的影响。研究表明,Ar/N2气流比、气压和基片温度对涂层均有较大的影响,当Ar/N2气流比为1、总气压为0.2 Pa、基片温度为300℃时所得涂层性能最好,最高硬度和弹性模量分别为34.8,434.3 GPa。

TiN,TiC和Ti(C,N)涂层的性能及影响因素研究

TiN和TiC同属于NaCl形式的晶体结构,是同构互溶性的.Ti(C,N)是两者的固溶体.TiN和TiC及Ti(C,N)涂层具有优良的力学和摩擦学性能,作为硬质耐磨涂层,已用于切削刀具、钻头和模具等场合,具有广泛的应用前景.综述了国内外关于这3种涂层的研究成果.研究了影响其性能的若干因素,比较了它们的性能差异,为进一步优化涂层的性能及合理地选用涂层提供了参考.进一步的研究方向是高、低温及恶劣环境下涂层的性能以及更大载荷下涂层的摩擦学性能等.一些重要结果如下:(1)对TiN涂层而言,用CAPD比用CAIP制备时,涂层的摩擦因数小、结合强度大、硬度小;脉冲电压从550 V增大到750 V时,涂层脆性增加、结合强度减小;在多弧离子镀工艺中,500 ℃是最佳沉积温度,此时涂层的硬度和结合强度均最大.(2)对用反应磁控溅射制备的TiC涂层而言,用C2H2比用CH4制备时,涂层的硬度大;CH4分压在0.02～0.04 Pa范围内为最佳,此时TiC涂层的硬度和弹性模量最大,分别是30.9 GPa和343.0 GPa.(3)对Ti(C,N)涂层而言,随CH4:N2或C2H2:N2流量比的增大,其硬度增大;CH4:N2分压比对摩擦因数和磨损量的影响还与载荷的大小有关;TiCxN1-x涂层的硬度和弹性模量随x值而变化,当x为0.6左右时,硬度取最大值45 GPa,当x值为0.43左右时,弹性模量取最大值630 GPa.

TiN/Ti(C,N)涂层的显微组织与力学性能

采用磁控溅射在TNMG120408型号的硬质合金刀片上沉积了TiN/Ti(C,N)单层与多层涂层,通过XRD、SEM、纳米压痕、划痕仪与冲击测试等方法,比较分析了TiN/Ti(C,N)涂层的显微组织与力学性能。结果表明,TiN单层涂层的晶粒形貌为典型的喇叭口结构,Ti(C,N)单层涂层为平直的柱状晶结构;而TiN/Ti(C,N)多层涂层为柱状晶结构,形成了TiN、Ti(C,N)交替排列的结构。TiN与Ti(C,N)单层涂层均呈(220)生长织构,而TiN/Ti(C,N)多层涂层呈(111)生长织构。Ti(C,N)单层涂层表现出较好的硬度,而TiN/Ti(C,N)多层涂层则表现出与基体更好的结合力。

电弧离子镀(Ti,Cr)N涂层的制备与性能研究

采用电弧离子镀膜机,通过调节Ti靶和Cr靶的阴极弧电流,在W6Mo5Cr4V2高速钢基体上制备了(Ti1xCrx)N涂层,并对其组织结构和性能进行了研究。结果表明,该涂层具有较高的显微硬度,而且随Cr含量的增加,硬度值先增大后减小;涂层具有较高的膜基结合力;Cr的引入不仅有利于提高膜基结合力,对(Ti,Cr)N涂层的抗氧化性也有好处,在700℃时具有很好的抗氧化性。

射频磁控溅射法制备TiSiN纳米复合涂层的结构与性能研究

采用射频磁控溅射工艺在Si基体上制备了TiN/Si3N4纳米复合结构涂层。对不同溅射气压、基片温度以及N2/Ar气流比条件下制备的TiN/Si3N4纳米复合涂层的结构和性能进行了研究和分析。结果表明:溅射气压、基片温度和N2/Ar气流比对TiN/Si3N4涂层的断面结构和力学性能均有显著影响,当溅射气压为0.4 Pa、沉积温度为300℃、N2/Ar气流比为5∶38时,涂层可获得最大硬度为34.4 GPa。

(Ti,Al)N单层和TiN/(Ti,Al)N多层涂层的物理及力学性能研究

借助EPMA、XRD、SEM、纳米压痕、EDX、Rockwell A压痕、强度测试和切削实验研究了采用磁控溅射法在硬质合金基体上沉积的(Ti,Al)N单层和Ti N/(Ti,Al)N多层涂层的物理和力学性能。研究结果表明:两种涂层均与基体结合紧密,(Ti,Al)N为面心立方结构;Ti N/(Ti,Al)N多层涂层具有更高的硬度、更低的脆性和更好的切削性能。

反应磁控溅射沉积工艺对Cr-N涂层微观结构的影响

研究在不同工艺条件下用直流反应磁控溅射技术在T10衬底上制备Cr-N涂层,并采用光电子能谱仪和XRD依次分析Cr-N涂层的表面结构和工艺参数对Cr-N涂层成分及相组成的影响。结果表明,Cr-N涂层在存放一段时间后表面产生复杂的Cr2O3相以及Cr(O,N)x相;常温下随着N2含量的增加,涂层相结构逐渐由Cr转变为化学比的CrN相。当N2含量为33.3%时,Cr-N涂层的相成分主要为Cr2N+CrN。并发现衬底偏压直接影响Cr-N系涂层的晶态及取向特征,当偏压增加到-130 V时,Cr-N涂层中β-Cr2N相结构逐渐转变为(110)和(300)取向结构。

PVD法制备(Ti,Al)N涂层中残余应力对其质量的影响

在国产离子镀和空心阴极离子镀复合镀膜机上,通过改变脉冲偏压值制备了(Ti,Al)N涂层。用X射线衍射仪对涂层的相组成进行了检测分析,并通过测得的衍射谱线计算了(Ti,Al)N涂层中的残余应力值;扫描电镜观察涂层表面微观形貌显示涂层表面存在"大颗粒"现象;用材料表面微纳米力学测试系统检测了涂层与基体间的结合力和涂层的硬度值。对涂层中残余应力与质量和性能之间关系的研究分析表明:(Ti,Al)N涂层中存在着残余压应力,且随脉冲偏压值的增加其值有先减小后增大的趋势;涂层中"大颗粒"现象随脉冲偏压值的提高能够显著得到减轻,涂层与基体间结合力得到提高,涂层的硬度值增大,涂层质量和力学性能均得到改善。

SiO_2/(Si_3N_4+BN)透波材料表面涂层的防潮性能和透波性能研究

SiO2／（Si3N4＋BN）复合材料是近几年发展起来的综合性能优良的适用于高马赫数的导弹天线罩材料。本文分析了SiO2／（Si3N4＋BN）复合材料的吸潮机理。采用有机硅树脂在SiO2／（Si3N4＋BN）复合材料表面制备了防潮涂层，取得较好的防潮效果。涂装后SiO2／（Si3N4＋BN）复合材料在40℃、90％的高温高湿条件下放置15d的吸水率约0．30％；在大气环境下（温度27-30℃，湿度45-60％）的吸水率小于0．01％。涂层对SiO2／（Si3N4＋BN）复合材料的透波率影响较小，涂装后材料的透波率仍然能保持在85％以上。

N2保护对TiAl3和Cr3C2复合涂层组织结构及高温冲蚀性能的影响

对TiAl3和Cr3C2金属间化合物复合材料的3种粉芯丝材CCW1、CCW2、CCW3进行N2保护和无N2保护的超音速电弧喷涂试验,结合金相、硬度、SEM、能谱分析对喷涂层的组织结构及其高温冲蚀性能进行试验研究。结果表明,氧化夹杂物明显降低凝片与凝片之间的结合状况,冲蚀磨损导致凝片与凝片分离、凝片断裂、掀起和剥落;N2保护下的电弧喷涂层比无保护时的涂层更为致密和均匀,氧化夹杂物明显减少,硬度显著提高。试验条件下,N2保护的3种粉芯丝材电弧喷涂层平均体积冲蚀率分别降低了3.3、2.3和1.0倍。

铝热剂法原位合成农机刀具Al_2O_3-Ti(C,N)复合涂层组织结构及性能

为了提高旋耕刀、犁铧等农机触土刀具表面强度,以铝热剂的放热反应提供内在热源、等离子弧作为外在热源,采用反应等离子熔覆技术在Q235钢表面原位合成了Al_2O_3-Ti(C,N)复合材料涂层。利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计、金相显微镜等对复合涂层的微观结构及强质硬化相的成分、组织及性能进行了分析。结果表明:涂层与基体呈冶金结合,涂层主要由网状、嵌套、球状等3种结构组成,硬质相Al_2O_3、Ti(C,N)与粘结相Fe-Ni之间相互包裹、互相嵌套,构形成空间网状骨架结构;涂层硬度最高可达HV_(0.5)2160,平均硬度HV_(0.5)1870,约为基体Q235钢的7.7倍;涂层摩擦系数约为0.372,其磨损量约为65Mn钢及Q235钢的1/7和1/17,与基体相比,复合涂层具有较高的硬度和较好的摩擦磨损性能,可以为农机材料表面强化提供参考。

TiB_2-TiC/Ti(C,N)复合涂层的研究进展

TiB2-TiC及TiB2-Ti(C,N)复合陶瓷材料由于系列优异性能而成为理想的金属表面涂层材料。综述了高性能TiB2-TiC/Ti(C,N)复合涂层的涂层复合体系、制备工艺、形成机理等方面的研究成果,展望了该复合涂层材料的应用前景及研究发展趋势,为其在工业领域的实际应用指明了方向。