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。

H13钢表面多弧离子镀CrAlN涂层的显微硬度及耐磨性影响

目的 提高H13热作模具钢表面的显微硬度及耐磨性。方法 通过多弧离子镀技术,分别对未经热处理的H13钢、淬火H13钢以及氮化H13钢的表面进行多弧离子镀沉积Cr Al N涂层,并分别对这3种基体上的Cr Al N涂层的显微硬度和摩擦磨损性能进行研究。结果 涂层表面均较为平整,且出现了白色小颗粒。经过淬火和氮化处理后,H13钢Cr Al N涂层的显微硬度达到3 300HV以上,达到基体的14倍多。与基体的摩擦系数相比,淬火和氮化处理后,H13钢的摩擦系数比基体低,镀膜后的摩擦系数比基体高。氮化H13钢表面Cr Al N涂层的磨损机理主要是磨粒磨损和黏着磨损共同作用,淬火H13钢的Cr Al N涂层磨损机理主要是黏着磨损;淬火和氮化后H13钢基体上CrAlN涂层的耐磨性均得到较大的提高。

不同过渡层对CrAlN涂层结构和膜基结合力的影响

为调节CrAlN涂层结构,提高CrAlN涂层的膜基结合力,本文采用等离子体增强磁控溅射系统在316L奥氏体不锈钢表面沉积CrAlN涂层,并在CrAlN涂层与基体之间增加纯Cr、Ti过渡层,对涂层的形貌、成分、相结构和结合力进行对比研究。分别采用XRD、SEM和划痕仪、洛氏压痕仪等表征不同涂层的显微结构和结合性能。结果表明,CrAlN涂层均以立方结构的(Cr,Al)为主,并含有少量AlN与CrN相。以Ti为过渡层的CrAlN涂层中未观察到AlN相,Al/(Al+Cr)原子比最低,结合力最好。

304不锈钢表面CrAlN涂层制备及其耐腐蚀性能研究

采用电弧离子镀膜技术在单晶硅和304不锈钢表面制备了CrN、CrAlN涂层,对涂层的微观结构、表面形貌、机械性能及在人工海水中的耐腐蚀性能进行了研究。通过XRD、SEM对涂层的微观结构及表面形貌的研究结果表明:CrAlN涂层具有更少的表面缺陷和内部大颗粒,截面有着更致密的结构,CrN涂层沿CrN(200)择优生长,而CrAlN涂层则沿CrN(111)择优生长。对CrN、CrAlN涂层及304不锈钢基底的摩擦系数测试表明:CrAlN涂层的摩擦系数均比CrN涂层和304不锈钢的摩擦系数低。对304不锈钢基底及涂层在人工海水中的电化学极化曲线、Nyquist图进行的测试结果表明:CrAlN涂层的容抗弧半径远大于CrN涂层以及304不锈钢,其腐蚀电流密度与自腐蚀电位与CrN涂层相当,均比304不锈钢表现更为优异。

Al含量对CrAlN涂层微观结构和力学性能的影响

采用不同Al含量的AlCr合金靶,在高速钢(M2)上通过直流反应磁控溅射的方式沉积不同的CrAlN涂层;分别用EDS、XRD、纳米压痕仪、高速往复摩擦磨损试验机和台阶仪测量出涂层的化学成分、物相组成、力学性能、磨损性能和磨损量,研究了不同Al含量对CrAlN涂层微观结构和力学性能的影响。XRD分析表明涂层主要为NaCl结构,纳米压痕仪测得力学性能随Al含量的提升先提高后降低,在Al含量为60%时获得最高硬度和弹性模量分别为36.8 GPa和459.5 GPa和最佳的磨损性能。磨损机制为磨料磨损和微动磨损。

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。

电弧离子镀CrAlN涂层的微观结构及力学性能研究

CrAlN涂层具有良好的综合性能,在合金刀具和模具的表面涂覆方面有广泛的应用前景,但其力学性能需要深入的研究。采用电弧离子镀技术制备CrAlN涂层,通过扫描电镜和X射线衍射分析涂层的微观组织结构,测试涂层的显微硬度和涂层与基体的界面结合强度。结果表明,CrAlN涂层含CrN和CrAlN相。涂层的表面形貌和致密性与制备时基体的负偏压和N2/Ar气体流量比有关,基体负偏压和气体流量比升高,CrAlN涂层致密性提高,表面大颗粒减少。涂层的硬度值和Al含量随着气体流量比的增加而提高。涂层/基体的界面结合强度值达65 N。

PCrNi3Mo钢表面磁控溅射CrAlN涂层的结构及力学性能分析

采用磁控溅射技术在PCr Ni3Mo钢表面沉积Cr Al N硬质涂层,利用激光共聚焦显微镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪分别对涂层的表面形貌、组织结构、硬度与弹性模量进行表征。结果表明,Cr Al N涂层表面较致密光滑,表面粗糙度为0.003 5μm。Cr Al N涂层的硬度和弹性模量分别为14.03 GPa和259.1 GPa,较基材显著提高。

车用316L不锈钢表面脉冲磁控溅射CrAlN涂层组织和摩擦性能分析

采用高功率脉冲与脉冲直流磁控溅射相结合的方法,在车用316L不锈钢表面制备得到CrAlN涂层,分析了各基体偏压状态下CrAlN涂层的化学成分及其组织和性能的变化。结果表明:当基体偏压提高后,涂层的(111)晶面衍射峰发生了小角度偏移的变化。随着偏压由0V逐渐增大至-25V时,得到的CrAlN涂层硬度和弹性模量分别升到最大值23.2GPa和228GPa。当基体偏压上升后,涂层厚度发生了先增大再降低的变化现象,最小涂层厚度约1.41μm。并且当偏压增大后CrAlN涂层也达到了更大的内应力,最大值出现于-100V,等于2.52GPa。当基体偏压提高后,得到的CrAlN涂层摩擦系数不断降低,从0.49减小为0.31,在0V下达到了最大的磨损率。可以发现,当基体偏压升高后,涂层的磨损作用降低,并且磨痕宽度也变小。

CrAlN涂层海水环境腐蚀磨损行为研究

采用多弧离子镀在316不锈钢上沉积Cr Al N涂层,用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征涂层的成分和结构,纳米压痕和划痕仪分别测试涂层的硬度和结合力.通过球-盘往复式摩擦磨损试验机在海水环境下测试涂层腐蚀磨损性能,并用电化学工作站实时监测其摩擦过程中的电化学特性.结果表明:Cr Al N在有摩擦的条件下,涂层极化曲线的阳极区域存在较为明显的钝化区,抑制了涂层进一步腐蚀.在阳极电位下,涂层的摩擦系数随着加载电位的增加显著降低.随着加载电位的升高,涂层的磨损量也相应地增大.在阳极电位0.5 V下的磨损量是阴极电位–1 V下的2.99倍.在0 V时,磨损促进腐蚀的损失量,约占总损失量的13.71%.在–1 V,–0.5 V,–0.25 V,OCP,0 V下的磨损机理主要为磨粒磨损和塑性变形,而在0.25 V,0.5 V下的磨损机理主要为疲劳点蚀.

基体负偏压对CrAlN涂层组织和性能的影响

采用真空多弧离子镀技术,使用Cr30Al70(原子分数)复合靶,在不同的基体负偏压下,在不锈钢基体上制备了一系列CrAlN涂层;采用能谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、粗糙度仪、显微硬度仪、摩擦磨损试验机和划痕仪等系统分析了涂层的成分、表面形貌、相结构、粗糙度、显微硬度、摩擦磨损性能和界面结合性能。结果表明:随着负偏压的增大,涂层中x(Cr)/x(Cr+Al)的比值先增大后减小,当负偏压为150V时,该值达到最大,并与靶材成分接近;基体负偏压为200V时,涂层的表面粗糙度最大,涂层结晶度、硬度最佳,晶体相为固溶铬的面心立方AlN;涂层的摩擦磨损性能不仅与涂层的表面粗糙度相关,还与涂层非晶相中铝元素的含量以及涂层的内应力大小密切相关;界面过渡层制备工艺相同时,基体偏压对涂层和基体之间的界面结合性能影响较小。

CrAlN涂层刀具的摩擦学研究进展

综述了CrAlN涂层刀具的现状、CrAlN刀具涂层工艺,探讨了CrAlN涂层刀具的摩擦磨损特性及机理,指出了制备多元多层、梯度涂层和纳米超晶格涂层是今后发展的方向。

TC4钛合金表面CrAlN涂层的制备及性能研究

为提高TC4(Ti-6Al-4V)钛合金的表面硬度和耐磨性能,利用等离子氮化技术将TC4钛合金进行氮化处理,然后利用多弧离子镀技术在氮化层上制备了CrAlN涂层。分析了所制备涂层的表面相结构、显微形貌、显微硬度和摩擦磨损性能。结果表明:TC4钛合金表面经氮化处理后表面硬度明显提高,耐磨性也得到明显改善;在氮化层上制备的CrAlN涂层,其相结构主要是面心立方结构的Cr N相,表面硬度达到了2145 HV;TC4钛合金基体其磨损机制主要是磨粒磨损和粘着磨损,氮化层的磨损机制主要是磨粒磨损和轻微的粘着磨损,而CrAlN涂层的磨损机制以粘着磨损为主,磨损程度依次为:TC4钛合金基体>氮化层>CrAlN涂层。使用高温乙炔枪灼烧之后,发现在氮化层上制备的CrAlN涂层无脱落现象,且表面显微硬度达2494 HV。

活塞环表面CrAlN涂层的微观组织与抗高温氧化性能

采用多弧离子镀在65Mn钢基体上制备了不同Al含量的CrAlN复合涂层,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、纳米硬度仪和高温氧化炉,系统分析了CrAlN复合涂层的成分、相结构、表面形貌、纳米硬度和抗高温氧化性能。研究结果表明:添加Al后,CrN涂层的择优取向由(111)转变为(200),随着Al含量的增大,衍射峰向右偏移,晶格常数逐渐减小,涂层的表面粗糙度增大,纳米硬度值增加。与CrN涂层相比,CrAlN复合涂层具有较好的抗高温氧化性能,且随Al含量的增加,抗高温氧化性能增强,其原因是涂层表面形成了铬铝氧化物,减小了高温条件下氧向涂层内部的扩散能力。

Cr12MoV钢表面CrAlN涂层的制备及其摩擦性能研究

为提高Cr12MoV钢的表面硬度和耐磨性,采用等离子渗氮技术在Cr12MoV钢表面进行渗氮处理,再利用多弧离子镀技术分别在渗氮层表面和基体表面制备了CrAlN涂层;分析了Cr12MoV钢基体、渗氮层和CrAlN涂层的显微形貌、显微硬度和摩擦磨损性能。结果表明,经渗氮处理后的CrAlN涂层的硬度达到3347 HV,是未渗氮处理的CrAlN涂层硬度的1.7倍,是Cr12MoV钢基体硬度的11.8倍;CrAlN涂层提高了Cr12MoV钢表面硬度,耐磨性得到提升,磨损机制以粘着磨损为主;渗氮处理提高了Cr12MoV钢与CrAlN涂层的结合力,使CrAlN涂层的耐磨性得到进一步提升。

多界面CrN/CrAlN涂层在海水环境中的腐蚀磨损性能研究

目的通过多界面结构CrN/CrAlN涂层来提高316不锈钢在海水中的耐腐蚀磨损性能。方法采用多弧离子镀技术在316不锈钢基底表面制备CrAlN单层和CrN/CrAlN多层涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)等设备表征涂层的微观结构和相组成;借助纳米压痕仪及划痕仪分别测试涂层的硬度和结合强度;通过往复式摩擦磨损试验机及电化学工作站,实时记录涂层在人工海水环境下摩擦系数和电化学信号的连续变化,并采用扫描电子显微镜对磨痕形貌进行分析,评价CrAlN单层和CrN/CrAlN多层涂层在人工海水环境中的腐蚀磨损特性。结果CrN/CrAlN多层涂层结构致密,层间界面清晰,厚度大约在4.12μm,力学性能优异,其硬度高达37.65 GPa。在海水环境中,摩擦系数随外加电位增加而降低,且当外加电位为0.2 V时,最低摩擦系数在0.29左右。而多层涂层损失量变化规律与之相反,当外加电位为–0.6 V时,其具有最低损失量,大约为0.00086 mm^(3)。相比CrAlN单层涂层,CrN/CrAlN多层涂层的腐蚀电流密度降低,损失量显著减小。结论CrN/CrAlN多层涂层具有致密的多界面结构,在海水环境中的耐腐蚀磨损性能更为优异。主要失效机制为磨粒磨损、塑性变形和腐蚀磨损。

电弧离子镀脉冲电磁频率对CrAlN涂层结构、耐磨和抗冲蚀性的影响

本文利用可控脉冲电磁与永磁体的复合磁场阴极电弧离子镀,在TC11钛合金上制备了氮化铬铝(CrAlN)涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和纳米压痕仪研究了电磁频率对涂层形貌、微观结构、纳米硬度和弹性模量的影响。通过摩擦磨损和固体颗粒冲蚀试验,研究了在各种电磁频率下制备的CrAlN涂层对耐磨性和抗冲蚀性的影响。发现随着电磁频率的增加,CrAlN涂层的沉积速率加快。在16.7 Hz时,涂层硬度最高为23.6 GPa,结合力最高为41.5 N。此外,在16.7 Hz和33.3 Hz时沉积的涂层表现出良好的耐磨性和抗固体侵蚀性,摩擦因数约为0.35,在30°下的冲蚀速率约为0.2μm/g,在90°下的冲蚀速率小于1μm/g。这些结果表明,以适当的脉冲电磁频率制备的CrAlN涂层可以获得优异的力学性能,耐磨性和抗固体冲蚀性能。

多弧离子镀CrAlN涂层对50BA钢硬度和耐磨性的影响

采用多弧离子镀技术在渗氮过后的50BA钢表面制备了CrAlN涂层;然后采用显微硬度测试仪及摩擦磨损试验机测试基体、渗氮层及涂层的力学和摩擦性能;最后采用扫描电镜(SEM)对涂层表面形貌进行表征,观察试样磨损形貌,并分析其磨损机理。结果表明:较之于渗氮层和基体,所制备的CrAlN涂层硬度最高,比基体的硬度提高了5.2倍;涂层的磨损程度明显最低,50BA钢表面的质量明显得到改善,耐磨性得到了极大提升。

钛合金表面不同多层结构Cr/CrAlN涂层的制备及磨损性能

为改善TC4钛合金(Ti-6A1-4V)表面力学性能和抗磨损性能,利用多弧离子镀技术在其表面沉积制备Cr层与CrAlN层交替(1、5和10个循环周期)沉积的Cr/CrAlN多层涂层。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、轮廓仪、洛氏压痕仪、显微硬度计、球盘摩擦磨损等对涂层的微观结构和性能进行研究。结果表明:Cr/CrAlN-1涂层的主要物相为固溶的(Al,Cr)N相,而Cr/CrAlN-5和Cr/CrAlN-10多层涂层的主要物相为固溶的(Al,Cr)N相和Cr相。随着循环周期的增加,(Al,Cr)N相的优先生长方向由(111)晶面转变为(200)晶面,同时涂层的晶粒尺寸减小。金属Cr层的加入和多层结构可以显著增加Cr/CrAlN多层涂层的膜-基结合强度。此外,Cr/CrAlN涂层显著提升了钛合金基体的硬度和耐磨性能,其中Cr/CrAlN-1的显微硬度(2465HK_(0.025))最高,而Cr/CrAlN-5的磨损率(1.52×10^(-6)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1))最低,Cr/CrAlN多层涂层的磨损失效机理主要为氧化磨损。

TiAlN/Cr、TiAlN/CrN和TiAlN/CrAlN多层涂层的热盐腐蚀行为

钛合金的热盐腐蚀问题已引起人们的广泛关注,金属氮化物防护涂层是延长钛合金服役寿命的有效途径.采用多弧离子镀技术在钛合金表面沉积了TiAlN/Cr涂层、TiAlN/CrN涂层、TiAlN/CrAlN-5涂层和TiAlN/CrAlN-10涂层.通过扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、划痕测试仪、3D激光显微镜等测试手段对比研究了4种多层涂层的热盐腐蚀行为,分析了涂层热盐腐蚀前后的微观形貌和物相成分.结果表明:Al元素的添加和调制周期的优化可以提高涂层的致密性,改善涂层表面质量.其中TiAlN/CrAlN-10多层涂层由于界面密度高,表现出优异的耐热盐腐蚀性能.