沉积温度对CrN涂层干摩擦及大豆油润滑下摩擦学性能的影响

为探究沉积温度对CrN涂层摩擦学性能的影响,同时寻找适合CrN涂层润滑的绿色润滑剂,采用磁控溅射技术在不同温度下制备CrN涂层。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、AFM原子力显微镜、划痕仪、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机评价涂层的微观结构、力学性能,以及在干摩擦及大豆油润滑条件下的摩擦磨损性能。结果表明:在250℃下沉积的CrN涂层具有最致密的晶状结构,且力学性能最优。摩擦试验结果显示,在干摩擦和大豆油润滑下250℃下沉积的CrN涂层表现出最优的摩擦学特性。XPS分析表明,由于摩擦的存在,大豆油会在涂层表面发生摩擦化学反应并生成一层化学吸附膜,从而能有效减轻涂层的摩擦和磨损。250℃下沉积的CrN涂层具有最优的力学及摩擦学性能,且大豆油极为适合CrN涂层的润滑。

SUS321不锈钢表面Cr/CrN涂层的制备与抗氧化及耐腐蚀研究

采用磁控溅射技术,在SUS321不锈钢表面制备Cr/Cr N涂层,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及分析天平等分别表征样品高温氧化及酸性盐雾腐蚀实验后的微结构及增重。结果表明,当磁控溅射气体分压比为P_(Ar)/P_(N_(2))=3∶1的涂层样品抗氧化性能及耐腐蚀性能最佳。在此基础上通过循环沉积制备了多层Cr/CrN涂层,6周期涂层样品在600℃氧化200 h后的单位面积增重为3.599 g/m^(2),表面氧化膜致密,没有出现剥落现象;6周期的涂层样品在酸性盐雾环境中能够保持480 h表面无变化,在放置500 h后边缘部位才开始出现轻微锈迹。固定磁控溅射气体分压比为P_(Ar)/P_(N_(2))=3∶1时,制备的6周期Cr/CrN多层膜涂层具有最佳的抗氧化及耐酸性盐雾腐蚀性能。

CrN和CrAlN涂层热稳定性、力学和摩擦学性能研究

目的针对现有刀具用硬质CrN及CrAlN涂层的热稳定性研究尚属空白,以及对其涂层摩擦学性能的影响尚不清楚等问题,开展CrN和CrAlN涂层的热稳定性、氧化行为、力学性能及摩擦磨损性能研究。方法采用中频反应磁控溅射技术制备CrN和CrAlN涂层,利用真空热脱附系统、场发射扫描电镜、原子力显微镜、能谱仪、X射线衍射、拉曼光谱仪、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机等探究2种涂层的结构、热稳定性、力学性能和摩擦学性能。结果在真空温度为646℃左右时,CrN涂层开始发生N分解和释放,在885℃左右时N的释放速率达到峰值。CrAlN涂层在真空温度为722℃左右时才开始发生N分解和释放,而在1000℃下N的释放速率并未达到峰值。在大气温度600℃下,CrN涂层开始发生氧化,并生成Cr_(2)O_(3)相,且Cr_(2)O_(3)层的厚度随着温度的升高而增加,在900℃时涂层完全氧化。CrAlN涂层在900℃时才开始发生氧化,生成更为致密的Cr_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)混合氧化层,阻止涂层进一步氧化。在大气高温条件下,CrAlN涂层均具有比CrN涂层更高的硬度和弹性模量。随着温度的升高,2种涂层的表面粗糙度逐渐增加,摩擦因数逐渐降低,CrAlN涂层在600、800℃下的表面粗糙度和磨损率均低于CrN涂层。结论在真空下,CrAlN涂层中键能较高的Al-N共价键改善了涂层的热稳定性,提高了CrAlN涂层中N的分解温度。在大气中,CrAlN涂层具有比CrN涂层更高的抗氧化性、硬度和弹性模量,CrAlN涂层在高温氧化过程中生成了连续且致密的Cr_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)混合氧化层,能够减缓O原子向涂层内部的扩散。CrAlN涂层具有比CrN涂层更优异的耐磨性,更适合作为高温工况下服役的刀具和模具等易磨损材料的防护涂层。

45钢表面TD-Cr/PVD-CrN复合涂层磨蚀性能

目的采用热扩散(TD)渗金属技术和物理气相沉积(PVD)技术对45钢表面进行强化,以提升45钢表面硬度和抗磨蚀性能,延长45钢的使用寿命。方法采用热扩散渗金属技术和物理气相沉积技术制备TD-Cr、PVD-CrN及TD-Cr/PVD-Cr N(Cr/CrN复合涂层)3种涂层。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)研究涂层的微观形貌、元素分布和物相组成。通过纳米压痕研究涂层的硬度、弹性模量。通过摩擦磨损实验和电化学腐蚀实验,研究涂层的摩擦性能和腐蚀性能。结果TD-Cr、PVD-Cr N、TD-Cr/PVD-Cr N 3种涂层的组织结构均致密均匀,厚度分别为19.78、1.075、32.24μm。TD-Cr/PVD-Cr N涂层的硬度达到28.7 GPa,高于其他涂层,同时,Cr/Cr N复合涂层的弹性模量和弹性恢复能力均优于其他涂层。在盐水环境下,TD-Cr、PVD-Cr N、TD-Cr/PVD-CrN的摩擦因数分别为0.52、0.38、0.35,磨损体积分别为26、0.15、0.05,TD-Cr/PVD-CrN展现出较好的耐磨性能。在盐水环境下,TD-Cr/PVD-CrN涂层的抗腐蚀性能略低于TD-CrN涂层。结论综合看来,TD-Cr/PVD-CrN复合涂层可以有效提升45钢的表面抗磨蚀能力,延长其使用寿命。

Inconel 718合金表面纳米多层CrAlN/CrN涂层的制备及高温摩擦学性能研究

为提高Inconel 718合金的表面硬度和高温摩擦磨损性能,采用多弧离子镀技术在其表面制备CrAlN/CrN涂层。使用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电镜(SEM)、纳米压痕仪和划痕仪等对涂层的微观结构、力学性能进行分析表征。使用UMT摩擦磨损试验机测试涂层在室温、350℃和650℃下的摩擦性能,并对磨痕的形貌特征、元素分布和物相进行分析,分析涂层在不同温度下的摩擦磨损机制。结果表明:纳米多层CrAlN/CrN涂层微观结构致密,主要由fcc-CrN相组成,择优取向为(200)晶面;CrAlN/CrN涂层在Inconel 718合金表面具有良好的力学性能,其硬度和结合力分别为(29.3±1.2)GPa和70.4 N;涂层在室温和350℃下具有优异的耐磨性,磨损率分别低至1.5×10^(-6)mm^(3)/(N·m)和1.7×10^(-6)mm^(3)/(N·m),主导的磨损机制分别为磨粒磨损和疲劳磨损;650℃时涂层达到最低摩擦系数(0.33),但磨损率有所升高,主要表现为磨粒磨损。

ZrYN层厚度对CrN/ZrYN纳米多层膜微观结构和力学性能的影响

采用磁控溅射技术在单晶Si基片上交替沉积CrN层、ZrYN层,制备不同厚度ZrYN层的CrN/ZrYN纳米多层膜。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、纳米压痕仪表征纳米多层膜的微观结构和力学性能。结果表明:随着ZrYN层厚度的增大,纳米多层膜中CrN相的结晶程度呈现出先上升后下降的趋势;纳米多层膜的硬度、弹性模量、韧性也呈现出先增大后减小的趋势;当ZrYN层厚度为0.9 nm时,纳米多层膜具有最高的硬度、弹性模量、韧性,分别为20.3 GPa、210.4 GPa、2.25 MPa·m^(1/2)。上述结果表明,随着ZrYN层厚度的增大,纳米多层膜出现由晶态向非晶态转变,在非晶态下,能够获得良好的综合力学性能。

钛合金表面CrN涂层高温氧化及力学性能

采用热丝增强等离子体磁控溅射技术,在Ti6Al4V(TC4)基体表面沉积单相CrN涂层,并分别在温度为400、500、600、700、800℃下空气中退火。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)与能谱(EDS)、Raman光谱、原子力显微镜(AFM)、X射线荧光光谱仪(XRF)、划痕仪、纳米压痕仪、台阶仪和摩擦磨损仪分析涂层的物相组成、微观形貌、成分及力学性能。随着退火温度的升高,CrN所有取向的峰位均向右移动接近标准峰位,内应力得到释放。当退火温度达到600℃后,涂层表面氧化迹象明显,粗糙度升高,出现白色颗粒状Cr_(2)O_(3)。随退火温度升高,涂层与基体结合力提高,在800℃时临界失效载荷达到25.2 N;涂层硬度和弹性模量下降,硬度从未退火的24.86 GPa降至800℃的15.23 GPa,弹性模量从327 GPa降至260 GPa;涂层耐磨性小幅下降,磨损量从未退火的0.78×10^(-16)m^(3)/(m·N)上升至11.74×10^(-16)m^(3)/(m·N),但均远低于TC4基体的磨损量10371.61×10^(-16)m^(3)/(m·N)。划痕与摩擦磨损检测结果中,涂层均未出现分层及剥落现象。采用热丝增强等离子体磁控溅射技术在钛合金表面制备的CrN涂层,在高温环境下保持较高的耐磨损性能和与基体良好的结合力,提高了软质不耐磨的TC4基体在高温磨损环境的使用寿命。

复合zigzag结构CrN涂层的设计制备及冲蚀性能

飞机在沙漠等恶劣环境中服役,空气中的固体颗粒在高速气流作用下对叶片表面产生高速冲击。为提高钛合金叶片的抗冲蚀性能,采用掠角磁控溅射技术制备复合zigzag结构CrN涂层(简称CrN-zigzag),并利用掠角X射线衍射仪(GIXRD)、扫描电子显微镜(SEM)、划痕测试系统(CSM Revetest)、白光干涉仪、纳米压痕仪、冲蚀设备等表征涂层的成分、组织结构、力学性能和冲蚀性能。研究结果表明,CrN-zigzag涂层组织致密呈现柱状结构,厚度约为3.7μm,纳米硬度达到(19.2±2)GPa,具有良好的膜基结合强度(>48 N)。相比于常规CrN涂层,CrN-zigzag涂层在90°冲蚀角度下的抗冲蚀性能提高了57.67%。CrN涂层表现为明显的脆性失效特征,CrN-zigzag涂层表现为明显的脆性和韧性失效双特征,符合变形磨损理论和二次冲蚀理论。CrN-zigzag涂层在砂砾冲蚀试验中表现出良好的抗冲蚀性能主要归因于其特有的zigzag晶界取向设计,提高了材料的损伤容限。

冷热复合处理对CrN涂层结构及力学性能的影响

为了改善CrN涂层的塑性变形能力,通过增强阴极弧磁控溅射技术在316L不锈钢上制备了CrN涂层。利用管式炉和液氮对CrN涂层分别进行冷处理、热处理以及冷热复合处理。通过X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)以及纳米压痕仪表征涂层在后处理前后的微观结构、形貌特征、残余应力及力学性能。结果表明:经过后处理的CrN涂层硬度均有小幅度降低,但其塑性变形能力均提高。其中,先热后冷复合处理几乎保持CrN涂层硬度不变(仅降低0.7%),同时提高了其塑性变形能力(提高3.1%),增强了其韧性。

磁控溅射外部Cr层对CrN磨损宽度的影响

为了提高CrN涂层耐磨性能,采用磁控溅射技术研究外部Cr层对CrN磨损宽度的影响。通过设置不同载荷、转速、旋转半径研究表面摩擦磨损情况。结果表明,旋转半径增大,离心力作用效果更加明显,其中在转速为300 r/min,旋转半径6 mm时,未溅射Cr层的CrN涂层平均磨损宽度达到945.7μm,且外侧磨损更加严重,相同条件下溅射外部Cr层的磨损宽度为571.2μm,说明外部Cr层在磨损过程中有效抑制表面磨损区域增加。溅射外部Cr层后,在转速为200 r/min时的摩擦系数与表面磨损区域宽度随旋转半径增加而增加。表面磨痕呈犁沟状,磨损机制为磨粒磨损。

氮气流量对CrN⁃DLC薄膜的摩擦学性能及腐蚀行为的影响

为了促进类金刚石(DLC)薄膜在恶劣的海洋环境中的应用,采用磁控溅射技术在304不锈钢上沉积CrN⁃DLC薄膜。利用SEM、拉曼光谱仪、XPS、EDS、纳米压痕仪、摩擦试验机、三维轮廓仪、电化学工作站测试表征了不同氮气流量条件下制备的CrN⁃DLC薄膜的表面和截面形貌、微观键合结构、化学键状态、成分和元素分布、硬度、摩擦学性能和耐腐蚀性能。结果表明:CrN⁃DLC薄膜的表面组织结构致密,无明显的缺陷,同时沉积的薄膜均为非晶结构。通入2 mL/min N2时,薄膜的弹性回复率达到55%,表明CrN⁃DLC薄膜具有良好的韧性,该条件下制备的薄膜在模拟海水中与Si_(3)N4球摩擦的磨损率仅为8.63×10^(-10)m^(3)/(N·m)。在电化学测试中,所有CrN⁃DLC薄膜的阳极极化曲线均表现出明显的钝化现象,其中,通入2 mL/min N2时,薄膜的腐蚀电流密度比304不锈钢低2个数量级,表现出良好的耐腐蚀性能。CrN⁃DLC薄膜的结构设计及元素掺杂能有效提高304不锈钢的减摩耐磨性能及耐腐蚀性能,拓宽了DLC薄膜在海洋环境中的应用。

Cr_(3)C_(2)/CrN复合添加剂对非均匀结构硬质合金性能的影响

本文以粗、中、纳米颗粒WC为原料,采用粉末冶金方法制备了不同Cr_(3)C_(2)/CrN复合添加剂含量的WC-10%Co非均匀结构硬质合金,并研究了Cr_(3)C_(2)/CrN复合添加剂对硬质合金微观组织结构和性能的影响。结果表明:随着Cr_(3)C_(2)/CrN复合添加剂含量增加,WC晶粒被抑制效果越显著,合金硬度呈递增趋势,抗弯强度则先增加后减小。当Cr_(3)C_(2)/CrN复合添加剂含量为1%时,合金综合性能最佳,维氏硬度达到1270HV_(3),抗弯强度达到2880MPa。复合添加剂增强作用机理主要是因为复合添加剂溶解在液相Co中,降低了WC在Co相中的溶解度,减缓WC溶解-析出过程,抑制了WC晶粒聚晶和异常长大现象,并起到固溶强化和弥散强化的作用,有效提升了合金综合性能。

直管磁过滤弧离子镀CrN涂层改善304不锈钢表面性能研究

采用直管磁过滤弧离子镀在304不锈钢表面沉积CrN单一涂层和Cr/CrN复合涂层,分别运用X射线衍射仪、光学显微镜、显微硬度计、摩擦磨损仪测试分析了其组成结构及复合涂层的表面机械性能。结果表明:直管磁过滤弧离子镀Cr/CrN复合涂层呈现出致密、均匀的表面形貌,且具有高硬度、低摩擦系数等优异的表面机械性能,显著提高了304不锈钢表面的耐摩擦磨损特性。

TiAlCrN和TiAlCrN/CrN复合膜的微观组织与力学性能

利用离子氮化形成过渡层,通过改变溅射沉积工艺参数,制备了TiAlCrN和TiAlCrN/CrN多层复合膜。采用电子探针(EPMA)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米压痕仪及微米划痕仪等技术表征两种复合膜的成分结构和力学性能。结果表明:两种膜都是面心立方结构,TiAlCrN膜和TiAlCrN/CrN多层膜分别在(111)和(200)面具有一定的择优取向;TiAlCrN膜的结构和成分都比较均匀,而TiAlCrN/CrN多层膜的结构和成分则呈周期性变化。由于离子渗氮层的支撑作用及氮化物外延生长,TiAlCrN/CrN多层膜的显微硬度(3450HV)高于TiAlCrN膜的(2500HV);两种膜都具有较高的膜基结合力,但TiAlCrN/CrN多层膜的综合力学性能比TiAlCrN膜的更好。

Cr-CrN-Cr-CrAlN多层膜厚度对结构和性能的影响

采用电弧离子镀技术在TC4钛合金表面制备不同厚度的Cr-CrN-Cr-CrAlN多层膜,研究了多层膜厚度对其结构及性能的影响。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、划痕仪、应力测试仪、砂粒冲蚀试验仪和拉伸试验机检测分析了多层膜的表面及截面形貌、微观结构、硬度、结合力、残余应力、抗砂粒冲蚀性能和拉伸性能等。结果表明:随着多层膜厚度的增加,膜层表面颗粒增多,表面质量略有下降,择优取向由(200)晶面逐渐向(111)晶面转变;随着厚度的增加,残余应力逐渐增加,膜层硬度、膜基结合力、裂纹扩展抗力先上升后下降,在厚度为10.58μm时达到最佳,其硬度为3404Hv、结合力为58.6N、裂纹扩展抗力为758.49,抗砂粒冲蚀性能提高3倍以上;TC4钛合金表面镀多层膜后,屈服强度和抗拉强度均略有提升,但断后伸长率降低,当膜层厚度为14.50μm时,断后伸长率较基材降低30%,断裂机制由韧性断裂转变为脆性断裂。在一定范围内增加膜层厚度有利于提升性能,但需合理控制其厚度以减小对钛合金基材的负面影响。

AlCrN涂层的滑动摩擦学特性研究

采用CETRUMT–2型摩擦磨损试验机,对多弧离子镀制备的AlCrN涂层进行了往复滑动摩擦试验研究。以CrN涂层作为对比,采用台阶仪、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)分析了涂层的磨痕,探讨了AlCrN涂层的磨损机理。结果表明:AlCrN涂层的摩擦因数平稳,磨损表面极其光滑,表面呈现抛光效应;AlCrN涂层拥有较高硬度和良好的排屑能力,因此在高载荷下具有比CrN涂层更好的抗磨损性能。

金属复合CrN涂层的磨损性能及应用研究

为取代M2高速钢,降低空调压缩机叶片生产成本,在GCr15基体上分别沉积CrMoN和CrAlTiN涂层,采用XRD分析涂层的相组成,在MM-200试验机上对其进行摩擦磨损实验,用三维超景深显微镜测量其磨痕面积;并用SEM观察磨损后的磨痕形貌。结果表明:制备的CrAlTiN和CrMoN涂层都能在一定程度上提高基体GCr15的耐磨性能,其中CrMoN涂层是以单一的CrN面心立方结构存在,Mo起到置换固溶强化的作用,因此耐磨效果更明显;通过合理控制涂层厚度和提高膜基结合力,GCr15+CrMoN涂层很有希望能取代传统的空调压缩机叶片材料M2高速钢。

TiAlN/CrN多层膜的组织结构及耐蚀性机理

目的研究TiAlN/CrN多层膜及TiAlN、CrN单一膜层的微观组织和电化学性能区别,分析不同结构薄膜材料的耐腐蚀性影响因素。基于电化学参数、组织结构和腐蚀形貌特征,为开发新型腐蚀性薄膜提供理论依据。方法采用多弧离子镀方法,在316不锈钢基底上先沉积150 nm Cr薄膜作为过渡层,然后交替沉积CrN薄膜和TiAlN薄膜,制备单层厚度为10 nm的TiAlN/CrN多层膜。作为对比,制备单一TiAlN、CrN薄膜。通过SEM、XRD表征薄膜断面形貌、组织结构,并分析耐蚀机理,结合极化曲线和阻抗谱对三种涂层进行电化学性能分析,最后对涂层进行浸泡腐蚀试验。结果TiAlN/CrN纳米多层膜为面心立方结构,呈现共格外延生长,且呈(200)择优取向。纳米多层膜的动电位极化曲线测量结果与不锈钢基体和单层薄膜相比,其腐蚀电位正移为−0.36 V,腐蚀电流密度降低为0.501μA/cm^2,极化电阻为120 kΩ·cm^2。阻抗谱试验结果表明,相比较于单层膜和基体,TiAlN/CrN多层膜的CPE值最低,为29.83×10^−6Ω^−1·cm^−2·sn,n值为0.922,电阻为1.50×10^6Ω·cm^2。腐蚀形貌分析可得出,多层薄膜腐蚀后表面形貌与沉积态涂层形貌最为接近,认为其具有较高的耐腐蚀性。结论纳米层状结构改变了单一薄膜的原始生长模式,抑制了粗大柱状晶的生长,减小了薄膜的固有缺陷、晶粒尺寸,对薄膜的耐蚀性有正面积极的作用。

多弧离子镀TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜的制备及性能研究

采用XH-800多弧离子镀设备在硬质合金刀具表面制备TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜。利用XRD、SEM、显微硬度计、多功能材料表面性能测试仪等对其组织结构与性能进行了研究。结果表明:膜层表面均匀,未出现龟裂现象,色泽光亮度好;膜的相结构组成为TiN和Cr2N,随着Cr靶电流的增大,TiN的择优取向由(200)向(111)转变,膜层出现单质Cr;膜层厚度为5.02μm,具有明显多层特征;显微硬度2536 HV;结合力65 N。

CrN和CrAlN薄膜的微观结构及在不同介质中的摩擦学性能

采用中频非平衡反应磁控溅射技术在单晶硅P(111)和不锈钢(1Cr18Mn8Ni5N)基材上制备了CrN和CrAlN薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、原子力显微镜(AFM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和纳米压痕仪对薄膜的相结构、化学组成、表面形貌、断面结构和力学性能进行了测试分析。利用球-盘式摩擦磨损试验机(CSM)考察了两种薄膜在不同介质(空气、自来水、oil-1(TAO-40)及oil-2(150BS))中和Al2O3球对磨的摩擦学性能。结果表明:CrN薄膜中Al元素的掺杂并未改变薄膜晶体结构,但却降低了薄膜的表面粗糙度、增强了薄膜的致密性、提高了薄膜的力学性能、改善了水润滑和油润滑条件下薄膜的摩擦学性能。由于CrN和CrAlN薄膜的摩擦磨损性能显著依赖于测试介质,因此重点讨论了它们在不同介质中的摩擦磨损机理。