等离子体浸没离子注入与沉积合成TiN薄膜的滚动接触疲劳寿命和机械性能

采用等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D)技术在AISI 52100轴承钢表面合成了高硬耐磨的TiN薄膜.膜层元素分布、化学组成和表面形貌分别用XRD,XPS表征.合成薄膜前后试样的滚动接触疲劳寿命和摩擦磨损性能分别由球棒疲劳磨损试验机和球-盘磨损试验机测定;疲劳破坏后的微观形貌通过SEM观察;薄膜力学性能经纳米压痕和纳米划痕实验评价.结果表明,TiN膜中还含有少量的TiO_2和Ti,N,O的化台物.在优化条件下,TiN膜层致密均匀,与基体结合良好,纳米硬度和弹性模量分别达到25和350 GPa;最低摩擦系数由基体的0.92下降到0.2.被处理薄膜试件在90%置信区间下的最大L_(10),L_(50),L_a和(?)寿命较基体分别提高了约4.5,1.8,1.3和1.2倍,疲劳寿命的分散性得到了显著改善.

全方位离子注入与沉积类金刚石碳膜的结构与性能

用等离子体浸没离子注入与沉积(PIIID)复合强化新技术在AISI440C不锈钢表面制备了类金刚石(DLC)碳膜。膜层表面的原子力显微镜(AFM)形貌显示出DLC膜结构致密均匀。Raman光谱分析结果表明,制备的DLC主要是由金刚石键(sp3)和石墨键(sp2)组成的混合无定形碳膜,且sp3键含量大于10%。以纯石墨棒做阴极,C2H2为工作气体条件下合成的DLC薄膜中,sp3键含量总体上较单纯用石墨作阴极而无工作气体条件下合成的DLC薄膜中sp3键含量高。与基体相比,薄膜试样的显微硬度和摩擦磨损性能均得到了较大改善,最大硬度提高88.7%,磨损寿命延长超过4倍。

离子注入与沉积TiN膜层中的残余应力

利用掠入射X射线衍射(GIAXRD)研究了GCr15轴承钢表面等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D)氮化钛(TiN)薄膜后膜层表面的应力状态。用X射线衍射(XRD)分析了处理后膜层的化学组成。探讨了薄膜厚度和掠入射角对表面膜层中应力变化规律的影响。结果表明,表面膜层中主要存在TiN相,同时含有少量的TiO2和钛氮氧的化合物。不同工艺下,TiN/GCr15轴承钢试样表面膜层中存在的应力均为压应力;且应力值随着掠入射角度的增大而减小,随着薄膜厚度的增加而降低。

全方位离子注入与沉积TiN薄膜的纳米压痕和纳米划擦行为

用等离子体浸没离子注入与沉积(PIIID)复合改性技术在AISI52100轴承钢基体表面合成了高硬耐磨的TiN薄膜。膜层的相组成及其表面形貌分别用X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)表征。合成薄膜前后试样的力学性能经纳米压痕和划痕实验评价。XRD结果表明,膜层中主要存在TiN相,择优取向(200),同时含有少量TiO2和钛氮氧的化合物。AFM形貌显示出试样表面TiN呈定向排列,膜层均匀完整,结构致密。纳米压痕测试结果表明,膜层具有较高的纳米硬度和弹性模量,最大值分别达到22.5和330 GPa,较基体分别增长104.5%和50%。根据纳米划痕形貌和划痕深度随划痕位置的变化关系分析出,薄膜在纳米划擦过程中先后经历了弹性变形,弹塑性变形,加载开裂或卸载剥落三个阶段。划擦剥落抗力达到80mN,表明TiN薄膜具有很好的弹性恢复能力和较强的疲劳剥落抗力。

等离子体浸没离子注入与沉积技术的发展及前沿问题

等离子体浸没离子注入与沉积技术可实现复杂形状零件表面垂直、均匀地离子注入与沉积处理,在材料表面改性领域具有广泛的应用前景。在技术发明后的20年间,该技术得到了快速的发展,但是也遇到了如何提高离子注入效率和注入均匀性、内表面注入、大面积注入等一系列问题。若上述问题得到解决,将极大的推进等离子体浸没离子注入与沉积技术的工业应用进程。

全方位离子注入与沉积技术及其工业机的研制

全方位离子注入与沉积(Plasma immersion ion implantation and deposition,PIIID)技术发展到现在,已经逐步走向工业化应用。本文介绍了全方位离子注入与沉积技术的原理,探讨了全方位离子注入与沉积工业机应该具备的功能,介绍了研制成功的全方位离子注入与沉积设备的结构和实施效果,其脉冲阴极弧等离子体源沉积速率达到2.9(?)/s,IGBT固体开关调制器输出电压达到10 kV,能够一次处理多个工业零件。

铝合金、钛合金的全方位离子注入与沉积复合处理工艺研究

铝合金、钛合金等材料具有许多优良性能,广泛用于航空、航天、舰艇及能源化工等工业部门,但是这两种材料的耐磨损性能较差。本研究利用了全方位离子注入与沉积(PIII&D)技术来强化处理这些合金表面,采用离子注入+过渡层+耐磨损层的复合强化处理工艺,通过摩擦磨损试验来研究不同的过渡层结构和厚度对磨损性能的影响。实验结果表明,通过优化过渡层结构和厚度,耐磨损性能有了很大的提高。

等离子体浸没离子注入与沉积合成碳化钛薄膜的摩擦磨损性能研究

将等离子体浸没离子注入与沉积及射频辉光放电技术相结合,在GCr15轴承钢基体表面制备了碳化钛薄膜,考察了注入脉冲宽度和工作气体压力对薄膜性能和化学组成的影响;利用X射线衍射仪(XRD)、维氏硬度计、多功能摩擦磨损试验机和电化学腐蚀试验装置表征了薄膜试样的相组成、显微硬度、摩擦磨损性能和抗腐蚀性能.结果表明,注入脉冲宽度和工作气体压力对薄膜性能及其组成具有显著影响;GCr15钢经改性处理后抗磨性能和抗腐蚀性能显著改善.这是由于基体表面形成了硬质且致密的TiC薄膜改性层所致.

等离子体浸没离子注入与沉积技术在刀具上的应用研究

采用等离子体浸没离子注入与沉积技术(PIIID)在GB/T 1438高速钢表面制备了薄膜,采用显微硬度计和扫描电镜进行性能测试,并对其进行寿命试验。结果表明:显微硬度达到2 000HV以上,使用寿命比未处理的钻头延长了近5倍。

铝合金全方位离子注入与沉积复合处理工艺研究

铝合金具有许多优良性能,广泛用于航空、航天、舰艇及能源化工等工业部门,但是其耐磨损性能较差。本研究利用全方位离子注入与沉积(PⅢ&D)技术来强化处理铝合金表面,采用离子注入+过渡层+耐磨损层的复合强化处理工艺,通过摩擦磨损试验和压痕方法来研究不同的过渡层结构和厚度对强化层抗磨损性能和结合力的影响规律。试验结果表明,通过优化过渡层结构和厚度,强化层耐磨损性能和结合能力有了很大的提高。

大型复合承力筒星箭连接环HPPMS离子注入与沉积

基于高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)的离子注入与沉积是一种新的星箭连接环表面处理方法,能够在星箭连接环表面制备致密、高结合力的膜层,满足热控性能和防冷焊要求。针对某复合承力筒星箭连接环的特点,进行了基于高功率脉冲磁控溅射的离子注入与沉积的相关工艺研究、防护试验,优化了膜层制备工艺参数,验证了碳纤维承力筒筒体防护效果,利用研制的专用系统进行了某大型复合承力筒星箭连接环的离子注入与沉积,热控性能和防冷焊效果明显优于阳极氧化,满足指标要求。

高功率脉冲磁控放电等离子体注入与沉积CrN薄膜研究

采用高功率脉冲磁控放电等离子体离子注入与沉积的方法在不锈钢基体上制备了高膜基结合力的CrN硬质薄膜,并研究了不同的Ar/N流量比对薄膜形貌、结构及性能的影响。采用扫描电子显微镜、X射线衍射对其表面形貌和结构进行分析,发现制备的薄膜表面光滑、致密,相结构单一,主要是CrN（200）相。对薄膜的结合力、硬度、弹性模量、耐磨性和耐腐蚀性的测试分析表明：薄膜与基体之间有很好的结合力,临界载荷最高可达68 N,同时硬度、弹性模量、耐磨性及耐腐蚀性都有很大提高,其中硬度最高达到23.6 GPa,是基体硬度的4.7倍,摩擦系数为0.5左右,且磨痕较窄、较浅,腐蚀电位最高提高0.32 V,腐蚀电流下降12个数量级。

9Cr18轴承钢表面不同等离子体浸没离子注入强化处理技术研究

采用不同的等离子体浸没离子注入 (PIII)工艺在 9Cr18轴承钢表面进行了气体、金属、金属加气体的离子注入和碳化钛 (TiC)、类金刚石 (DLC)薄膜的等离子体浸没离子注入与沉积 (PIIID)。对处理后的试样进行了X射线光电子能谱 (XPS)、X射线衍射 (XRD)、俄歇电子能谱 (AES)和拉曼光谱 (Raman)分析 ;测试了处理前后试样的显微硬度、磨痕宽度和摩擦系数。结果表明 :处理后试样表面均形成了不同的改性层 ,且改性层中化学组成和各元素的浓度 深度分布随处理工艺的不同而变化 ;处理后试样的显微硬度都有较大提高 ,最大增幅达 77.7% ;表面摩擦系数由 0 .8下降到0 .16 ;磨痕宽度减少了 2 3倍 ;与PIII工艺相比 ,相同参数下 ,PIIID处理后的试样表面综合性能更加优异。

高压对高功率脉冲磁控放电等离子体注入与沉积氧化钒薄膜的影响

利用高功率脉冲磁控放电等离子体注入与沉积技术制备了氧化钒薄膜,分别采用X射线衍射仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜和电化学分析仪研究了不同高压幅值对氧化钒薄膜的相结构、表面形貌、截面形貌以及耐腐蚀性能的影响。结果表明制备的氧化钒薄膜以VO2(-211)相为主,还含有少量的VO2(111)、VO(220)、VO(222)相。不同高压下氧化钒薄膜表面致密、平整,其表面粗糙度仅为几个纳米,显示出良好的表面质量。氧化钒薄膜表现出典型致密的柱状晶生长形貌,且随着高压增加,氧化钒薄膜膜层厚度有所下降。氧化钒薄膜耐腐蚀性能较纯铝基体有较大提高,腐蚀电位提高0.093V,腐蚀电流下降1～2个数量级;当高压为-15kV时,氧化钒薄膜腐蚀电位最高,腐蚀电流最低,表现出最佳的耐蚀性能。

涤纶材料表面类金刚石薄膜的沉积及其抗菌性能研究

采用乙炔等离子体浸没离子注入与沉积(PIII D),对医用涤纶(PET)缝合环材料进行表面改性,Raman光谱、X射线光电子能谱(XPS)和衰减全反射傅立叶变换红外光谱(ATR FTIR)的分析结果表明:在涤纶材料表面有效地沉积了一层类金刚石(DLC)薄膜。原子力显微镜(AFM)的图像分析进一步证明表面平均粗糙度从58.9nm降低到11.2nm。细菌粘附实验结果证明沉积了类金刚石薄膜的表面对5种细菌———金黄色葡萄球菌(SA)、表皮葡萄球菌(SE)、大肠杆菌(EC)、绿浓杆菌(PA)和白色念珠菌(CA)的粘附均有明显抑制作用,其中从培养时间为15h的吸附情况比较来看,金黄色葡萄球菌的粘附率降低了70%,表皮葡萄球菌降低了86%。

脉冲阴极弧金属等离子体源的调试及其应用

对脉冲阴极弧金属等离子体源的工作参数进行了测量,研究了离子流与磁导管偏压以及磁场电流与离子流之间的关系,确定了其最佳工作参数。并应用该脉冲阴极弧金属等离子体源和等离子体浸没离子注入与沉积技术制备了TiC薄膜。对改性层的显微硬度、摩擦磨损性能和膜基结合力进行了测试分析。结果表明:合成TiC薄膜后,试样的显微硬度、摩擦磨损性能得到了明显的改善,并且膜层与基体之间的临界载荷为36.03 N。

碳离子注入医用Ti性能研究

采用等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D)技术将碳离子注入Ti基体,研究碳离子注入对材料表面形貌、结构和组成的影响,评价改性材料的表面亲水性、荷电性、力学性能、耐腐蚀性以及细菌黏附能力和细胞相容性,探讨材料的结构和组成对其生物学性能的影响。结果表明,碳等离子体浸没离子注入与沉积(C-PIII&D)技术处理的Ti基体表面主要由无定形碳组成。经碳离子注入改性,Ti表面形貌无明显变化,但其疏水性增加,表面负电性提升,表面力学性能和耐腐蚀性能得到提高。基体表面细胞的黏附、铺展和增殖情况良好,同时对大肠杆菌的黏附具有一定的抑制作用。

类金刚石薄膜对轴承钢表面机械性能和滚动接触疲劳寿命的影响

使用等离子体浸没离子注入与沉积(PⅢ&D)技术在轴承钢基体表面合成类金刚石(DLC)薄膜,研究了薄膜的结构和性能.结果表明,所制备的DLC薄膜主要是由金刚石键(sp^3)和石墨键(sp^2)组成的混合无定形碳,且sp^3键含量大于10%.DLC膜层致密均匀,与基体结合良好.DLC膜具有很高的硬度和杨氏模量,分别达到40 GPa和430 GPa;其最低摩擦系数由基体的0.87下降到0.2.被处理薄膜试件在90%置信区间下的L_(10)、L_(50)、L_a和平均寿命L较基体分别延长了10.1倍、4.2倍、3.5倍和3.4倍.PⅢ&D轴承钢滚动接触疲劳寿命的分散性得到了显著改善.

PIIID复合强化处理轴承钢表面TiN膜层的XPS表征

用等离子体浸没离子注入与沉积(PIIID)复合强化新技术在AISI52100轴承钢基体表面成功合成了硬而耐磨的氮化钛薄膜。膜层表面的化学组成和相结构分别用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征;膜层表面的原子力显微镜(AFM)形貌显示出TiN膜结晶完整,结构致密均匀。XRD测试结果表明,TiN在(200)晶面衍射峰最强,具有择优取向。Ti(2p)的XPS谱峰泰勒拟合分析揭示出,Ti(2p1/2)峰和Ti2p3/2峰均有双峰出现,表明氮化物中的Ti至少存在不同的化学状态;N(1s)的XPS谱峰在396.51,397.22和399.01 eV附近出现了三个分峰,分别对应于TiNxOy,TiN和N—N键中的氮原子。结合O(1s)的XPS结果,证实膜层中除生成有稳定的TiN相外,还有少量钛的氧化物和未参与反应的单质氮。整个膜层是由TiN,TiO2,Ti—O—N化合物和少量单质氮组成的复合体系。

PIIID技术制备Ti/DLC纳米多层薄膜

采用等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D)技术在2Cr13钢表面制备了Ti/DLC纳米多层薄膜,分析了膜层的微观结构和机械特性。实验结果表明:纳米多层膜具有完整、清晰的调制层结构,薄膜的显微硬度均得到明显的提高,硬度较低的膜层具有较好的膜基结合强度和优良的摩擦性能,从综合性能看:纳米多层薄膜保持了类金刚石(DLC)薄膜低摩擦系数的特性,具有良好的承载能力以及膜-基结合特性。