脉冲叠加直流偏压电弧离子镀TiCrN_x薄膜的制备与性能研究

采用脉冲叠加直流偏压电弧离子镀技术在硬质合金刀具表面制备TiCrNx薄膜,利用XRD,SEM,多功能材料表面性能测试仪等对TiCrNx薄膜进行表征。结果表明,TiCrNx与TiN薄膜相比,硬度有所下降。膜-基结合力与靶材阴极弧电流及偏压有关。

脉冲偏压占空比对电弧离子镀AlCrSiN涂层结构和性能的影响

为优化电弧离子镀AlCrSiN涂层的制备工艺,获得最佳的脉冲偏压占空比,采用全自动脉冲电弧离子镀技术,在不同脉冲偏压占空比下分别制备AlCrSiN涂层,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、划痕仪、球-盘式摩擦磨损试验机等对涂层物相组成、表面形貌、力学性能及摩擦学行为进行表征。结果表明:当脉冲偏压占空比从60%上升到80%时,制备的AlCrSiN涂层表面微坑缺陷和大颗粒数量逐渐减少,涂层结构变得更加致密;当脉冲偏压占空比增大到90%时,涂层表面粗糙度增加。当脉冲偏压占空比为70%时,AlCrSiN涂层硬度最高,约为11.35 GPa;当脉冲偏压占空比为80%时,涂层临界载荷Lc3达最大值98.5 N。当脉冲偏压占空比为80%时,涂层摩擦系数最低,约为0.50。涂层磨损率随脉冲偏压占空比增加,先上升后下降,当脉冲偏压占空比为60%时,制备的AlCrSiN涂层磨损率最低,约3.21×10^(-3)μm^(3)/(N·μm)。经比较,当脉冲偏压占空比为70%时,制备的涂层具有最佳的综合性能。

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.

脉冲偏压对电弧离子镀CrN_x薄膜组织结构与性能的影响

利用电弧离子镀技术在TC4基体上制备CrNx薄膜,研究了脉冲偏压对薄膜的组织结构和力学性能的影响。结果表明,在一定范围内提高脉冲偏压可以显著减少薄膜表面熔滴的数量及尺寸,改善表面平整度,获得高质量的薄膜;同时随着脉冲偏压的升高,CrNx薄膜由CrN单相变为Cr,Cr2N和CrN三相组成,硬度与结合强度的峰值可分别达到24294.2MPa和43N;薄膜的摩擦系数在偏压幅值为-300V时具有最小值0.43。

脉冲偏压电弧离子镀室温沉积非晶TiO_2薄膜

采用脉冲偏压电弧离子镀技术在玻璃基片上室温制备了均匀透明的非晶TiO2薄膜,在0--900 V范围内改变脉冲偏压幅值,考察其对薄膜沉积速率、表面形貌和光学性能的影响．结果表明,随着脉冲偏压的升高,非晶薄膜沉积速率以-100 V为界先高后低;薄膜的吸收边先红移后蓝移,但光学带隙Eg基本无变化,约为3．27 eV;-300 V偏压时薄膜达到原子级表面平滑度,均方根粗糙度Rrms≈0．113 nm,因而薄膜折射率n也最高(nλ=550nm达到已有报道的最高值2．51)．

脉冲偏压对电弧离子镀深管内壁沉积TiN薄膜的影响

用电弧离子镀设备,分别采用直流偏压和脉冲偏压的沉积工艺,在一端封口的50 mm×200 mm×5 mm的不锈钢深管内壁上沉积TiN薄膜,对薄膜的厚度、表面形貌、相结构、硬度和磨损性能等随管子深度的变化进行了对比测试。结果表明,两种工艺下薄膜的厚度、硬度以及耐磨性能都随管子的深度而下降,但与直流偏压相比,脉冲偏压能够提高薄膜厚度和硬度,减少大颗粒的尺寸和数量,提高耐磨性能;按照硬度不低于20 GPa的标准划分,脉冲偏压使镀膜深度提高了40%,即从直流偏压的50 mm提高到70 mm。

脉冲偏压磁过滤电弧离子镀TiN薄膜的组织结构及耐磨性研究

利用脉冲偏压磁过滤电弧离子镀在高速钢(M2)基底上沉积了厚约2.5μm的TiN薄膜;分别采用FESEM、GDOES、XRD和划痕试验法观察薄膜表面和断面形貌、测试薄膜成分及相结构,分析膜基结合强度,通过显微硬度计和球盘摩擦磨损试验机对比考察TiN薄膜和M2高速钢基体的硬度和耐磨性。结果表明,TiN薄膜表面光滑致密,呈现致密柱状晶结构和明显的(111)择优取向,膜基结合强度大于60 N,薄膜硬度约为26 GPa;脉冲偏压磁过滤电弧离子镀制备的TiN薄膜表现出很好的减摩和耐磨性能。

脉冲偏压对电弧离子镀非晶氧化钛薄膜性能的影响

用脉冲偏压电弧离子镀技术在玻璃基片上制备均匀透明的氧化钛薄膜，通过改变脉冲偏压幅值，考察其对氧化钛薄膜性能的影响。结果表明，沉积态薄膜为非晶态；脉冲偏压对薄膜性能有明显的影响。随偏压的增加，薄膜厚度、硬度和弹性模量均先增大后减小，前者峰值出现在-100-200V负偏压范围，后两者则在-150～250v范围：-300v偏压时的薄膜硬度最高；达到原子级表面光滑度，RRMs为0．113nm，薄膜折射率也最高，在λn=550nm达到已有报道的最高值2．51，此时薄膜具有最好的综合性能。文中对脉冲偏压对薄膜性能的影响机理也进行了分析。

氮含量对脉冲偏压电弧离子镀CN_x薄膜结构与性能的影响

用脉冲偏压电弧离子镀设备在保持脉冲偏压一致和工作气压恒定的条件下,控制不同氮流量在硬质合金基体上制备了不同氮含量的CN_x薄膜,用SEM,GIXRD,XPS,激光Raman谱和纳米压入等方法分别研究了薄膜的表面形貌、成分、结构与性能.结果表明,随着氮流量的增加,薄膜中氮含量先是线性增加然后趋于平缓,薄膜呈非晶结构且为类金刚石薄膜,其硬度与弹性模量随着氮含量增加先增加后下降,在x=0.081时出现最大值,分别为32.1 GPa和411.8 GPa.分析表明,通过氮含量的改变而使sp^3键含量发生改变是影响薄膜性能变化的重要因素。

脉冲偏压电弧离子镀CrAlN薄膜研究

在高速钢和不锈钢基体上用脉冲偏压电弧离子镀技术制备了CrAlN薄膜,研究了脉冲偏压对薄膜成分、结构和性能的影响,并进行了900℃下的高温抗氧化性能检测。结果表明,薄膜中Al的相对含量随着脉冲偏压的增加而降低;薄膜的相结构由立方CrN和Al相组成;薄膜的硬度随脉冲偏压的增加而增大,在偏压幅值为-500 V时,硬度可达21.5 GPa;薄膜具有高达70 N的膜基结合力;此外,薄膜在900℃的大气中保温10 h,没有出现明显的氧化现象;在合成的三种薄膜中,在脉冲偏压为-500 V×40 kHz×40%时的薄膜具有最好的综合性能。

脉冲偏压对离子束辅助电弧离子镀TiN/Cu纳米复合膜结构及硬度的影响

采用离子束辅助电弧离子镀技术在高速钢基体上制备TiN/Cu纳米复合薄膜,考察了基体脉冲负偏压对薄膜成分、结构及硬度的影响。用X射线光电子谱、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和纳米压痕等方法分别测试了薄膜的化学成分、结构、表面形貌、硬度以及弹性模量。结果表明,在氮离子束的轰击作用下,随着脉冲偏压幅值从-100 V增加到-900 V时,薄膜中Cu含量先增加而后略有降低,在1.05%-2.50%（原子比）范围内变化。同时,脉冲偏压对薄膜的结构也有明显影响,在-100 V出现TiN（111）择优取向,当基体偏压增加到-300 V以上时,择优取向改变为TiN（220）择优。薄膜的Cu2p峰均对应纯金属Cu,薄膜的晶粒尺寸约在11-17 nm范围内变化。硬度和弹性模量随着偏压幅值增加而增大,当偏压为-900 V时,薄膜硬度和弹性模量达到最大值,分别为29.92 GPa,476 GPa,对应的铜含量为1.91%。

脉冲偏压电弧离子镀鞘层尺度演化的特性与分析

基于一维平板鞘层模型,建立了脉冲偏压电弧离子镀(PBAIP)鞘层随时间演化的动力学模型,给出了其解析表达式,并结合PBAIP工艺中等离子体参数的测量结果,模拟分析了PBAIP鞘层的厚度和鞘层中的离子流密度随时间的演化规律及其受脉冲偏压幅度等参数的影响．结果表明：在PBAIP工艺中,稳态鞘层的厚度及形成稳态鞘层的时间均远小于已报道的等离子体源注入(PSII)等鞘层对应的值；PBAIP鞘层的扩展几乎是实时跟随脉冲偏压的变化,脉冲偏压下每一时刻的鞘层厚度与对应直流偏压下的鞘层厚度几乎相等．

脉冲偏压电弧离子镀制备C_(1-x-y)N_xZr_y超硬复合薄膜

用脉冲偏压电弧离子镀方法在保持石墨靶弧流恒定的条件下,通过同步改变锆靶弧流与氮流量,在硬质合金基体上制备了一系列不同成分的C1-x-yNxZry复合薄膜.随着锆靶弧流与N流量增加,薄膜中Zr与N含量都呈线性增加,同时C含量快速减少.Raman光谱显示所制备的薄膜具有DLC特征,而XRD结果显示薄膜中还存在有明显的ZrN晶体相,说明本实验所制备的薄膜属于在DLC非晶基体上匹配有ZrN晶体相的碳基复合薄膜.随Zr与N含量增加,薄膜硬度先增大后降低,当x=0.19,y=0.28时薄膜具有最高硬度值,为43.6GPa,达到了超硬薄膜的硬度值.

脉冲偏压下电弧离子镀等离子体负载的等效电路模型及其定量表征

为了解决电弧离子镀(AIP)工艺中脉冲偏压电源与AIP等离子体负载间的匹配问题,结合脉冲偏压下AIP工艺实验,运用等离子体鞘层理论、电路理论和仿真模拟技术,得到AIP等离子体负载本质上是由鞘层引起的容性负载,在电路中可以等效为电容和电阻相并联的单元;根据AIP等离子体鞘层演化的特性,将AIP等离子体负载的等效电容表征为与时间无关而只与脉冲偏压幅度和等离子体相关参数有关的量,AIP等离子体负载的等效电阻,可以在直流偏压下通过测量与脉冲偏压幅值对应的AIP等离子体负载电流来确定。经验证,本文建立的AIP等离子体负载的等效电路模型及其定量表征是有效的。

电弧离子镀技术中脉冲偏压对TiN薄膜的影响

用正交设计实验研究了电弧离子镀技术中采用脉冲偏压以后各种参数对沉积TiN薄膜性能的影响.研究表明,与直流偏压相比,直流叠加脉冲偏压能更好地细化颗粒,降低薄膜的表面粗糙度,提高沉积速率.对实验结果的方差分析显示:气氛和频率是降低表面粗糙度、提高沉积速率的主要因素.

电弧离子镀脉冲负偏压电源及其特性的研究

一种脉冲负偏压电源是由多个脉冲分量形成的电路串联构成 ,脉冲的频率和占空比直接在高压侧调节。介绍了电源的结构和关键技术 ,并结合薄膜沉积试验中的电压、电流波形和计算机仿真分析 ,探讨了电源和电弧离子镀的等离子体负载间的匹配 。

脉冲偏压及退火处理对电弧离子镀N掺杂TiO_2薄膜结构和性能的影响

本文利用电弧离子镀技术,施加不同脉冲偏压,在玻璃基体上沉积了N掺杂TiO2薄膜。研究了基体偏压和热处理对薄膜结构、光吸收性能及光催化降解甲基橙的反应活性。结果表明:随脉冲偏压的提高,薄膜相结构先由锐钛矿向非晶转变然后向锐钛矿和金红石的混合相转变,吸收边先红移后蓝移,透明度先下降后升高。400℃下退火4 h,薄膜结晶形貌更加明显,吸收边进一步红移,透明度提高。原始薄膜和退火后的薄膜都具有高的紫外光催化活性。可见光下经过退火的-300V偏压下制备的薄膜具有最好的光催化活性。

Cu含量对脉冲偏压电弧离子镀TiN-Cu纳米复合薄膜硬度的影响

用脉冲偏压电弧离子镀技术在高速钢(HSS)基体上制备了一系列不同Cu含量的TiN-Cu纳米复合薄膜,用EPMA、SEM、GIXRD和纳米压痕等方法分别测试了薄膜的成分、形貌、相组成、硬度和弹性模量,重点考察薄膜成分对其硬度和弹性模量的影响。结果表明,Cu含量对薄膜的硬度和弹性模量影响显著,随着Cu含量的增加,薄膜硬度和弹性模量先增大后减小,在Cu含量为1.28 at%时,硬度和弹性模量达到最大值,分别为45.0 GPa和562.0 GPa。最后对TiN-Cu纳米复合薄膜的非晶-纳米晶强化机制进行了讨论。

电弧离子镀脉冲负偏压电源负载特性的仿真分析

通过等离子体物理理论和仿真分析 ,明确了电弧离子镀的等离子体负载本质是等离子体鞘层引起的容性负载 ,探讨了电弧离子镀脉冲负偏压电源的设计方法。

脉冲偏压电弧离子镀C-N-Cr薄膜的成分、结构与性能

用脉冲偏压电弧离子镀设备在保持偏压一致和工作气压恒定的条件下,控制不同氮(N)流量,在硬质合金基体上制备了不同成分的C-N-Cr薄膜.用SEM,XPS,GIXRD,激光Raman谱和纳米压入等方法分别研究了薄膜的表面形貌、成分、结构与性能.结果表明,随着N流量增加,薄膜中N含量先是线性增加然后趋于平缓,Cr含量先是基本保持不变然后线性减少.在N流量不超过20 mL/min时,薄膜保持较高的硬度(>30 GPa)与弹性模量(>500 GPa);当N流量超过20 mL/min时,薄膜硬度与弹性模量急剧下降,在N流量为100 mL/min时硬度与弹性模量仅为13.6与190.8 GPa.