不同过渡层结构对Cr-DLC复合涂层性能影响研究

为了改善大载荷工况下零件的耐磨损性能,提高其使用寿命,采用阴极真空电弧离子镀和微波等离子体辅助化学气相沉积复合工艺在轴承钢(9Cr18)表面制备了无承载过渡层、(Cr/CrN)x周期承载过渡层和CrN1…CrNx梯度承载过渡层三种结构的Cr-DLC复合涂层。通过拉曼光谱(Raman)和X射线衍射仪(XRD)研究了不同Cr靶电流下Cr-DLC涂层的化学成分和结构,采用扫描电镜(SEM)观察了涂层的微观结构,并采用纳米压痕、显微划痕和摩擦磨损试验对复合涂层的力学性能和摩擦学性能进行了评价。结果表明,Cr掺杂DLC涂层中镶嵌了CrC晶粒,涂层的纳米硬度可达30 GPa以上;带有梯度CrNx承载层的Cr-DLC复合涂层的力学性能和耐磨性能最好,与基底的结合强度可达52 N,磨损率为13.8×10-7mm3/(N·m),是基底材料的1.5%;大载荷摩擦试验表明,有梯度承载层的Cr-DLC涂层在800 N载荷下可保持1000 s内不被破坏;Falex试验表明,有梯度承载过渡层的Cr-DLC复合涂层的最大承载能力达到5000 N。

Cr/CrN/CrNC/CrC/Cr-DLC梯度膜层的研究

采用中频磁控溅射结合离子源技术沉积Cr/CrN/CrNC/CrC/Cr-DLC膜层。利用扫描电镜(SEM)、电子能谱(EDS)、Raman光谱和俄歇深层剥层分别对膜层微观形貌、成分组成、键结构及梯度成分深层分布进行分析;采用努氏显微硬度计、摩擦磨损试验机、划痕仪及洛氏硬度计测评膜层机械性能。结果表明:采用中频磁控溅射可沉积出大面积Cr/CrN/CrNC/CrC/Cr-DLC梯度膜层;Cr溅射功率对C键结构影响不大,但表层DLC中Cr的含量和膜层厚度随中频功率增大而增大;随DLC中掺Cr量增多,膜层硬度及摩擦因数略有上升;采用梯度过渡层及掺入金属Cr提高了膜层附着力,但过高的中频功率使沉积离子能量偏高,膜层压应力增加反而降低了膜层附着性能。

GNiCr40Al3Ti合金表面Cr-DLC、CrAlN和CrN薄膜在去离子水环境中的摩擦磨损性能

目的在去离子水环境中,研究GNiCr40Al3Ti合金表面制备的铬掺杂类金刚石(Cr-DLC)、氮化铬铝(CrAlN)和氮化铬(CrN)等薄膜的摩擦磨损性能。方法在GNiCr40Al3Ti合金表面采用离子源辅助非平衡磁控溅射制备Cr-DLC薄膜,采用多弧离子镀技术制备CrAlN薄膜和CrN薄膜。利用冷场发射扫描电镜、拉曼光谱仪和X射线衍射仪,对薄膜的微观结构和形貌进行分析。利用显微硬度计、摩擦磨损试验机、白光干涉扫描轮廓仪等,对薄膜的硬度、摩擦磨损性能、磨痕二维轮廓等进行研究。结果在10 h连续的去离子水环境摩擦过程中,CrN薄膜的平均摩擦系数最低,仅为0.17,比GNiCr40Al3Ti合金的摩擦系数降低了54%。与GNiCr40Al3Ti合金相比,其表面制备的Cr-DLC、CrAlN和CrN薄膜在去离子水环境摩擦条件下都减小了磨损体积,其中,CrN薄膜表现出最好的耐磨性,磨损体积为0.017 mm3,仅为GNiCr40Al3Ti合金磨损体积的0.18%。Cr-DLC薄膜与CrAlN薄膜的耐磨性不及CrN薄膜,主要是由薄膜的微观结构造成的,Cr-DLC薄膜的柱状疏松结构造成薄膜过早的被磨穿,CrAlN薄膜中存在的Cr相引起薄膜硬度降低,从而降低了抗剪切的能力。结论在去离子水环境中,CrN薄膜具有最低的摩擦系数和最佳的耐磨性。

偏压对Cr-DLC纳米复合薄膜表面形貌和结构的影响

采用线性离子束混合磁控溅射技术制备Cr-DLC纳米复合薄膜,并研究了衬底负偏压对薄膜表面结构和性能的影响。薄膜的成分和结构分别利用EDX和XRD进行表征;薄膜经稀硫酸腐蚀前后表面形貌采用荧光显微镜和原子力显微镜进行了分析;同时,利用接触角测试仪和电化学阻抗对薄膜的亲水性和电化学进行了研究。结果表明:薄膜结构为无定形态,含有少量Cr元素。在零偏压(接地)条件下所制备的Cr-DLC膜,掺入的Cr金属团簇或Cr/C化合物部分镶嵌在无定形碳膜中,暴露在薄膜表面外。经稀硫酸腐蚀后,形成"凹坑"和"针孔"。表面粗糙度变大,接触角(亲水性)变小。电化学腐蚀表现出很强的纯阻抗性;而在偏压条件下制备的薄膜,在稀硫酸腐蚀前后,表面形貌没有明显的变化。同时,薄膜腐蚀前后接触角变化不大,表现出良好的抗电化学腐蚀性能。偏压对Cr-DLC纳米复合薄膜表面形貌的影响可能与DLC膜"亚表面植入"生长模式和薄膜自溅射有关。

织构化Cr-DLC薄膜对高加水量面带黏附性能的影响

研究在食品机械面带压延辊用06Cr19Ni10合金表面制备织构化铬掺杂类金刚石(Cr-DLC)薄膜对高加水量面带黏附性能的影响。在06Cr19Ni10合金试样表面采用皮秒激光加工织构结构,并在优化的织构结构表面采用离子源辅助非平衡磁控溅射方法制备Cr-DLC薄膜;利用三维白光干涉表面形貌仪测试试样表面形貌和表面粗糙度;利用黏附测试平台分析加水量55%的面带在织构化铬掺杂类金刚石(Cr-DLC)薄膜表面的黏附性能;利用滴定法测量试样表面水滴、乙二醇液滴的接触角并分析表面能。结果表明,高含水量的面带在织构结构表面的黏附能力随着织构间距增大和深度增加而降低,间距85μm、深度5μm的试样抗黏附能力最优,与06Cr19Ni10合金基体相比面带的黏附能力降低了39.8%;面带在织构化Cr-DLC薄膜表面的黏附能力为98 J/m2,与06Cr19Ni10合金基体试样相比降低68.3%;面带在接触表面的黏附能力随着表面能色散分量与极性分量差值的增大呈线性递减规律。分析认为,所制备的"碗口"型特征的织构结构、Cr-DLC薄膜均具有降低表面能极性分量,增大色散分量的作用;织构结构和Cr-DLC薄膜的协同作用提高了06Cr19Ni10合金试样表面的抗黏附性能。针对高加水量55%的面带,制备间距85μm、深度5μm的织构化Cr-DLC薄膜具有最佳的抗黏附功能。

磁控溅射电流对刀具表面Al/Cr-DLC膜组织和力学性能的影响

为获得膜基结合力更高的刀具,选择Al/Cr金属作为过渡层,分析了不同溅射电流下Al/Cr-DLC膜的组织和力学性能,膜厚都在1.50~1.70μm左右。结果显示:随着溅射电流增加,过渡层厚度变化不明显;增大溅射电流后,膜层中的Cr、Al比例也随之增加,过渡层可以促进元素更快扩散;各膜层拉曼光谱都在1000~2000 cm^(-1)区间形成了非晶碳的非对称峰。随着溅射电流的增大,Cr、Al元素在膜中的含量也明显提高。增大溅射电流后,膜层中形成了更高比例的Al和Cr,而I_(D)/I_(G)的比值先增大再减小,最大比值出现于3.0 A电流下。逐渐增大溅射电流的过程中,残余应力先减小再升高,最低残余应力出现于溅射电流为3.0 A下。当膜层中存在过渡层时,内应力发生了显著降低。当溅射电流由1.0A升高至3.0 A时,膜层的硬度和弹性模量都出现了降低。

化学气相沉积Cr/DLC薄膜对Mg-Gd-Y合金耐蚀性能的改善

Mg-Gd-Y合金作为一种优秀工程材料在石油天然气勘探开发中具有广泛应用。为了改善其在井下工作服役时的耐蚀性能,研究了以Cr为过渡层的类金刚石薄膜(DLC)对Mg-Gd-Y合金耐蚀性能的影响。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法制备了以Cr元素为过渡层的类金刚石薄膜,采用拉曼光谱分析DLC膜层的碳结构类型,采用3.5%(质量分数)NaCl盐雾腐蚀试验、电化学极化测试及接触角测试评价了试样的耐蚀性能,采用SEM分析了试样腐蚀前后的表面形貌及断面形貌。结果表明:由拉曼光谱检测数据计算得出,Cr/DLC薄膜的I_D/I_G值为0.64,说明膜层中sp~3杂化键所占比例较多,且组织致密,因此Cr/DLC薄膜在3.5%NaCl溶液中的腐蚀倾向和腐蚀速率降低。Cr/DLC薄膜有效提高了镁合金基体的耐蚀能力。

盐雾腐蚀条件下Ti合金表面功能薄膜的摩擦磨损性能

目的研究Ti6Al4V合金、铬掺杂类金刚石(Cr-DLC)薄膜、钨掺杂类金刚石(W-DLC)薄膜和氮化钛(TiN)薄膜,在干摩擦和盐雾腐蚀气氛摩擦条件下的摩擦磨损性能。方法在商用Ti6Al4V合金表面通过非平衡磁控溅射制备Cr-DLC薄膜和W-DLC薄膜,通过多弧离子镀技术制备TiN薄膜。利用扫描电镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机、白光干涉扫描轮廓仪,对薄膜的形貌、硬度、干摩擦和腐蚀摩擦性能、磨痕形貌进行测试分析。结果干摩擦条件下,Ti6Al4V合金表面沉积Cr-DLC、W-DLC和TiN三种薄膜的摩擦系数均比Ti6Al4V合金低;Ti6Al4V合金及其表面制备的三种薄膜在盐雾腐蚀气氛条件下的摩擦系数都比干摩擦条件下有所增加。与Ti6Al4V合金相比,Cr-DLC、W-DLC和TiN三种薄膜在干摩擦和盐雾腐蚀气氛摩擦条件下均减小了磨损体积。干摩擦条件下,W-DLC薄膜的磨损体积为0.0017 mm^3,耐磨性最好;盐雾腐蚀气氛摩擦条件下,TiN薄膜的磨损体积为0.0028 mm^3,表现出最佳的耐腐蚀磨损性能。通过磨痕形貌可以得出,盐雾腐蚀气氛摩擦条件下,Ti6Al4V合金表面制备的金属掺杂类金刚石薄膜的磨损受到磨粒磨损和腐蚀磨损双重机制的影响。结论三种表面功能薄膜在盐雾腐蚀气氛摩擦条件下都较好地保护了Ti合金,极大地减少了磨损损失。

具有高耐蚀性和导电性的掺Cr类金刚石非晶碳的化学式解析

Cr掺杂的类金刚石非晶碳具有良好的导电性和耐腐蚀性,这对于燃料电池金属双极板涂层改性特别重要。使用团簇加连接原子模型对其非晶结构进行了详细解析,在该模型中,良好的玻璃形成材料由覆盖特征性最近邻团簇加上几个下一壳层原子的结构单元来表述。根据文献,在Cr掺杂的类金刚石非晶碳中占优势的团簇是Cr中心和C壳层的[Cr-C4]四面体团簇,然后将该团簇与适当的连接原子匹配,以满足电子轨道饱和原理。由此推导出了两个最优组成式,即[Cr-C4]CrC3(22.2%Cr)和[Cr-C4]Cr3C2(40%Cr),它们显示出良好的非晶态结构稳定性。实验结果显示,所提出的这两组化学组成的涂层材料兼具低电阻率(低至10-4Ω·cm)和优异的耐腐蚀性(腐蚀电流密度~10^-2μA/cm^2)。在sp2键含量和渗流理论的框架内讨论了导电和耐蚀的协同行为。这项工作验证了团簇加连接原子模型在具有高耐腐蚀性和高导电性的涂层材料成分设计中的可行性。

中频磁控溅射法制备厚类金刚石碳膜

采用中频对靶磁控法在M2高速钢基片上合成了厚达6μm的含铬类金刚石碳(DLC)薄膜,初步考察了中频磁控溅射工艺参数、DLC薄膜的多层梯度结构及薄膜力学和摩擦性能间的关系。结果表明,薄膜表面平滑,具有致密的多层梯度结构,在2.45 N载荷下维氏硬度为HV 2 560,结合力的临界载荷为52 N,且在较长滑动距离内平均摩擦因数为0.09。

DLC及渗硫处理Cr-Mo-V合金灰铸铁磨损性能研究

利用MM-200摩擦磨损试验机,在油润滑条件下对Cr-Mo-V合金铸铁表面渗硫及掺Cr的DLC处理后的磨损性能进行了研究,并比较了两种处理方式的磨损性能差异。利用扫描电子显微镜观察磨痕宽度和磨损形貌,结果表明:DLC处理优于渗硫处理的耐磨性能,说明将DLC技术运用于合金铸铁,其减摩耐磨效果更好。

Cr/DLC和CrN涂层在高温高压试验前后的摩擦学性能研究

为了提高GH05高温合金在高温高压水环境下的摩擦性能,在合金表面采用离子源辅助非平衡磁控溅射和多弧离子镀方法分别制备了Cr/DLC和CrN 2种涂层。采用FGD高压釜对涂层进行高温高压试验,采用扫描电子显微镜(SEM)观察涂层表面及截面形貌,采用UMT高温摩擦磨损试验机、台阶仪、纳米压痕仪分别研究了2种涂层高温高压试验前后的摩擦磨损性能、硬度和弹性模量。结果表明:高温高压试验后,CrN涂层的表面形貌和力学性能相较于高温高压前的CrN样品而言变化较小;但Cr/DLC涂层发生了明显的氧化,涂层结构疏松,结合力和硬度显著降低。另一方面,高温高压试验致使Cr/DLC涂层和CrN涂层在干摩擦和水环境下的摩擦系数均升高,可能是由于涂层表面发生了氧化及力学性能劣化。相比于Cr/DLC涂层摩擦性能的急剧下降,CrN涂层经过高温高压试验仍能保持较好的摩擦磨损性能;特别地,CrN涂层在水环境下的磨损率低至1.40×10^(-7) mm^(3)/(N􀅰m),仅为相同试验条件下Cr/DLC涂层磨损率[8.73×10^(-6) mm^(3)/(N􀅰m)]的1.60%,CrN涂层大幅提升了高温合金在苛刻工况下的服役性能.

磁过滤直流真空阴极弧制备含铬类金刚石膜的结构及其性能研究

采用磁过滤直流真空阴极弧沉积技术在单晶硅片、载玻片、不锈钢片基体上制备了含铬类金刚石(Cr-DLC)膜。用光学显微镜、椭偏仪、分光光度计、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射能谱(XRD)、Raman光谱、纳米硬度计、摩擦磨损仪、洛氏硬度计检测了薄膜的组分结构、光学、力学等相关特性。结果表明,硅片上的薄膜厚度为47.6nm,碳含量为89%,sp3键占碳含量的55.15%。不锈钢片上的薄膜具有典型的DLC膜Raman光谱特征,在空气中的摩擦系数约为0.1,耐磨性能优良,膜与基体的结合性能良好。

类金刚石膜与表面织构双重改性下CoCrMo合金摩擦性能研究

研究采用类金刚石碳(DLC)薄膜和表面织构双重改性技术对CoCrMo合金进行了表面处理,借助摩擦试验研究配副系统的摩擦性能,并分析了摩擦和磨损机理。结果表明,改性前的CoCrMo/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)配副在生理盐水溶液润滑下的摩擦系数低至0.05。当接触压力为3.5 MPa时,DLC薄膜改性后的配副在牛血清白蛋白(BSA)溶液中平均摩擦系数为0.25,在生理盐水中的平均摩擦系数为0.42;DLC薄膜和表面织构双重改性处理的配副在BSA溶液和生理盐水润滑下的摩擦系数分别为0.23和0.31,表明改性处理不能发挥减摩效果。未改性的CoCrMo试样在生理盐水润滑下磨损表面存在大量UHMWPE磨屑,并且UHMWPE磨屑发挥自润滑作用。改性处理提高了CoCrMo试样盘的耐磨性能,却抑制了UHMWPE磨屑在CoCrMo试样盘表面的粘附。双重改性表面在存储磨损磨屑和提高表面耐磨性能方面具有协同效应。