磁控溅射工艺参数对TiAlN薄膜结构和性能影响规律研究

采用XRD、SEM、纳米压痕仪、纳米划痕仪等分析了磁控溅射工艺参数对TiAlN薄膜物相、微观组织、力学性能及结合力的影响规律。结果表明,所有样品生成相均为面心立方的TiAlN,且在(111)晶面择优生长,薄膜表面形成三棱锥状密排晶粒。选定硬度与结合力两个指标对TiAlN薄膜进行评价,通过正交实验发现,硬度与结合力的最优工艺参数均为基底偏压-100 V,工作气压0.3 Pa,溅射电流8 A,氮流量40 sccm。

空心阴极电子束对多弧离子镀TiAlN薄膜组织形貌及摩擦学性能的影响

采用空心阴极电子束辅助多弧离子镀的方式在WC基体上制备了TiAlN薄膜,讨论了电子束能量的大小对膜层组织形貌及摩擦学性能的影响。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、表面轮廓测试仪及材料表面微纳米力学测试系统对薄膜的相组成、微观结构、三维形貌及摩擦学性能进行了检测和分析。结果表明:在未施加空心阴极电子束作用时薄膜具有明显的(112)择优取向,随着空心阴极电流的提高,薄膜逐渐朝着多晶面生长,择优取向减弱。电子束对膜层的形貌及摩擦学性能有显著影响,随着电子束能量的提高,膜层逐渐变得致密、平整,表面粗糙度和摩擦系数均降低,抗磨损性能提高。

溅射工艺对TiAlN薄膜摩擦学性能的影响

研究利用反应磁控溅射法在高速钢基体上制备TiAlN薄膜材料,采用XRD测试薄膜晶体结构,用UMT显微力学测试仪测试薄膜摩擦系数。在此基础上讨论铝含量、直流偏压及后期处理对薄膜摩擦系数的影响。结果表明,不同铝含量的TiAlN薄膜中都存在面心立方相和六方相,随着铝含量的增高,面心立方相比例逐渐减小,六方相增多。铝的引入使膜层的硬度明显提高。随着Al含量增加,GCr15与TiAlN膜层之间的摩擦系数下降。另外,直流偏压和后期处理亦可显著改善薄膜的抗摩擦性能。

负偏压对电弧离子镀复合TiAlN薄膜的影响

采用电弧离子镀技术,以W18Cr4V高速钢为基体,调整基体负偏压,制得多个复合TiAlN薄膜试样,研究了基体负偏压对薄膜微观组织形貌、物相组成、晶格位向、硬度、厚度和沉积速率的影响。结果表明,过高或过低的负偏压会使得膜层表面不平整,显微硬度下降。当负偏压为200 V时,膜层的沉积速率最大;负偏压为150 V时,有利于薄膜(111)晶面的择优取向生长,且TiAlN膜的硬度最高。

钢表面纳米TiAlN薄膜的结构表征与性能研究

目的在GCr15轴承钢和W18Cr4V高速钢基体上制备硬质耐磨的纳米TiAlN薄膜,以此来提高GCr15和W18Cr4V钢的使用寿命。方法采用直流反应磁控溅射的方法,以氩气为工作气体,氮气为反应气体,采用反复试验并优化后的一组参数,在两种常用的钢基体上制备高质量的耐磨薄膜。通过XRF、XRD、AFM和SEM研究了薄膜的元素含量、表面形貌和物相组成等结构特点,借助销盘式摩擦磨损试验机研究了薄膜的摩擦磨损性能。结果两组钢基体上薄膜的化学成分接近,Ti和Al元素的原子数分数之比为1:1,薄膜主要由AlN、TiN和TiAlN相组成,且在(111)方向具有择优生长取向,薄膜的平均晶粒尺寸分别为24.15 nm和28.32 nm;薄膜呈现岛状生长,表面的平均粗糙度为15.8 nm和17.6 nm,硬度值不足2500HV,摩擦系数分别为0.5和0.4,薄膜的磨损量分别为89μg和56μg。结论薄膜结构由硬质陶瓷相组成,平均晶粒尺寸较小,薄膜的摩擦系数稳定,磨损量较小,耐磨效果较好。

多弧离子镀TiAlN薄膜的制备及其抗氧化性能

目前,关于氮氩比对TiAlN薄膜高温抗氧化性能影响的研究较少。采用多弧离子镀技术在M2高速钢上沉积TiAlN薄膜,利用SEM、XRD等方法研究氮氩流量比对薄膜组织结构、表面形貌和抗氧化性的影响。结果表明:TiAlN薄膜呈δ-TiN面心立方晶体结构;随着氮氩流量比的提高,薄膜表面熔滴数量显著下降,膜层表面更加平整光滑,相结构的择优取向发生改变,硬度先增大后趋于稳定,表面氧化物含量逐渐下降;当氮氩流量比为9∶1时,所得TiAlN薄膜在800℃氧化温度下,其表面会生成一层致密的Al_2O_3保护膜,有效阻止了薄膜被进一步氧化,具有良好的抗氧化性能。

复合工艺制备TiAlN薄膜及其高温抗氧化性能研究

采用Ti靶电弧离子镀与Al靶中频磁控溅射相结合的复合工艺,通过调节Al靶电流,在不锈钢基体上制备了TiN薄膜和TiAlN薄膜样品,并在热处理炉内对薄膜进行高温抗氧化试验,分析了薄膜氧化前后的表面形貌、断口形貌及显微硬度。结果表明:TiAlN薄膜氧化前和氧化后的硬度均随着铝靶磁控溅射电流的增强、铝含量的提高而增加;TiAlN薄膜的高温稳定性明显优于TiN薄膜;TiAlN薄膜经800℃氧化后发生膨胀而变得疏松,内部发生了柱状晶化,致密性下降。

不同负偏压下磁控溅射纳米TiAlN薄膜的微观结构与耐蚀性能

目前在AZ31镁合金表面利用磁控溅射法制备TiAlN薄膜的研究不多,且未针对负偏压的变化研究Al原子掺杂后薄膜结构及耐腐蚀性能的变化情况。选择射频电源,利用磁控溅射(Magnetron sputtering,MS)方法在AZ31上制备了防腐蚀性能良好的纳米TiAlN薄膜。分别采用X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)测试观察了薄膜的微观特征,借助电化学工作站测试了薄膜在3.5%NaCl溶液中的极化曲线和交流阻抗谱来表征薄膜的耐腐蚀性能。结果表明:基体施加的负偏压大小对薄膜的结晶和生长有较大的影响,膜层主要由TiAlN、AlN和TiN 3相组成,高分辨像和选区电子衍射显示薄膜为细小的多晶结构,3组负偏压下的平均晶粒尺寸分别为35.76,41.22,38.95 nm;薄膜具有较好的耐腐蚀性,腐蚀电位从基体的-1.545 V提高到-1.070 V,电流密度下降了2个数量级,交流阻抗的Nyquist谱和Bode-|Z|谱显示负偏压为45 V的薄膜耐腐蚀性能最好。

氮气流量对复合离子镀TiAlN薄膜性能的影响

利用电弧离子镀和磁控溅射相结合的复合镀技术,在300 V偏压、不同氮气流量下制备了一系列TiAlN薄膜.利用XP-2台阶仪、XRD、SEM和纳米力学测试系统分别对薄膜的沉积速率、晶体结构、表面形貌、硬度和弹性模量等进行测试和分析.实验结果表明:随着氮气流量的增大,薄膜的表面质量逐渐提高,薄膜的硬度和弹性模量均随氮气流量的增大呈现出先增加后减小的变化趋势.

炮钢表面电弧离子镀TiAlN薄膜的摩擦磨损性能

为了提高PCrNi3Mo钢的耐磨性,利用电弧离子镀技术在其表面沉积了Ti_(0.7)Al_(0.3)N和Ti0.5Al0.5N薄膜,分析了沉积态和磨损态薄膜膜层的微观结构和形貌.结果表明,两种薄膜膜层均属于晶粒细小的柱状晶结构.Ti_(0.7)Al_(0.3)N和Ti0.5Al0.5N薄膜的硬度分别比PCrNi3Mo钢提高了4.75和4.22倍,而弹性模量分别比PCrNi3Mo钢提高了88%和84%.Ti_(0.7)Al_(0.3)N薄膜的稳定摩擦系数较小,两种薄膜具有显著的减摩耐磨作用.PCrNi3Mo钢的磨损机理主要为严重粘着磨损,而两种薄膜的磨损机理属于轻微粘着磨损.Ti0.5Al0.5N薄膜因脆性断裂局部产生了更大面积的剥落区,低硬度的PCrNi3Mo钢基体对膜层的支撑力变小是导致薄膜局部发生开裂破坏的主要原因.

电弧离子镀与中频磁控溅射复合制备TiAlN薄膜

采用Ti靶电弧离子镀与Al靶中频磁控溅射相结合的复合工艺,分别在单晶硅抛光面和高速钢抛光面两种基体上成功地制备了TiAlN薄膜样品。电子扫描电镜(SEM)、能谱和X射线衍射(XRD)分析结果表明:此复合工艺下制备的TiAlN薄膜比TiN薄膜表面液滴尺寸更小,针状孔洞基本消除,组织更为致密均匀。TiAlN薄膜的含Al量为0.86%(原子百分比)左右,Ti与N的含量比(原子百分比)大致为1:1,Al原子的加入使TiN结晶结构发生畸变,晶格常数变小。TiAlN薄膜的硬度比TiN薄膜的硬度,提高30%左右。

添加Y对电弧离子镀TiAlN薄膜结构和摩擦磨损性能的影响

目的为进一步提高电弧离子镀TiAlN薄膜的摩擦磨损性能,研究添加元素Y对Cr Ni3MoVA钢表面电弧离子镀Ti Al N薄膜微观组织结构、硬度、弹性模量及摩擦磨损性能的影响。方法采用Ti-50Al和Ti-49Al-2Y合金靶,利用电弧离子镀技术在Cr Ni3MoVA钢表面制备两种氮化物薄膜,利用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机分别测试了两种薄膜的硬度、弹性模量和摩擦系数,并用SEM、TEM、EDS、GIXRD分析了两种薄膜磨损前后的形貌、成分、相结构。结果添加Y降低了TiAlN薄膜的晶粒尺寸,使其由柱状晶结构转变为近似等轴晶结构。Ti Al YN薄膜的硬度较TiAlN薄膜提高了约25%,其弹性模量与TiAlN薄膜相近。与Si3N4对磨时,在加载载荷为20 N、往复行程为10 mm、往复速率为400 r/min的条件下,TiAlN薄膜的稳定摩擦系数为0.70~0.75,而TiAlYN薄膜的稳定摩擦系数为0.60~0.65,Ti Al YN薄膜的磨损率较Ti Al N薄膜的磨损率减小了约47%。Ti Al N薄膜与Ti Al YN薄膜的主要磨损机制均为刮擦磨损,TiAlN薄膜的失效机制主要是脆性裂纹导致的剥落。结论添加Y对Ti Al N薄膜具有明显的减摩耐磨作用,并提高了Ti Al N薄膜在摩擦磨损过程中的抗开裂和抗剥落性能。

氧化温度对TiAlN薄膜成分的影响

采用磁控溅射方法在硬质合金表面沉积TiAlN硬质薄膜,并在400～850℃的温度下进行氧化处理,通过XPS分析氧化后薄膜表面层的物质组成及变化。结果表明:氧化后的薄膜表面层存在AlN,TiN,Al2O3,TiO2和N—O;随着氧化温度的升高,氧元素和铝元素增加,氮元素和钛元素减少,最终在薄膜表面形成一层耐高温的Al2O3保护层。

制备工艺参数对AZ31镁合金表面溅射TiAlN薄膜耐腐蚀性能的影响

采用射频反应磁控溅射法在AZ31镁合金表面沉积了TiAlN薄膜。用场发射扫描电镜、电化学工作站研究分析了薄膜的表面形貌以及电化学性能,研究了铝靶溅射功率、钛靶溅射功率、氮气流量、沉积时间对TiAlN薄膜耐腐蚀性能的影响。结果表明实验所制备的TiAlN薄膜表面光滑、致密。当Al靶功率为50 W,Ti靶功率为125 W,N2流量为30 mL/min(标准状态),沉积时间为8 h时薄膜耐腐蚀性能最佳。薄膜腐蚀电流密度(4.321×10-7 A/cm2)比镁合金基体(1.066×10-5 A/cm2)降低了1个数量级以上,镁合金耐腐蚀性能得到较大提高。

TiAlN薄膜的磁过滤脉冲真空弧等离子反应沉积制备的研究

采用磁过滤脉冲真空弧等离子反应沉积技术,在室温、钛合金和Si(100)单晶表面制备了TiAlN薄膜.利用SEM、XRD、EDS和XPS等对薄膜的微观组织结构及化学组分进行了观察测试分析,探讨了磁过滤脉冲真空弧等离子反应沉积技术的工艺参数对TiAlN薄膜结构的影响.

AZ31镁合金表面低偏压磁控溅射TiAlN薄膜的结构与耐蚀耐磨性能

针对镁合金不抗蚀、不耐磨2大问题,采用直流磁控溅射的方法,通过对基体施加偏压调控,在AZ31镁合金表面制备了TiAlN薄膜。借助XRD和SEM等方法研究了薄膜的微观结构,通过电化学工作站和销盘式摩擦磨损试验机评估了薄膜的耐腐蚀和耐磨性能。结果表明:施加偏压后的镀膜基体结构发生很大变化,薄膜由岛状生长模式转变为层状生长模式,由等轴晶转变为柱状晶结构。当偏压增大到-30 V后的薄膜开始在(111)择优生长,薄膜主要为柱状晶结构。镀膜后基体的腐蚀电位明显提高,腐蚀电流密度下降了2个数量级,表明其具有良好的耐蚀性能,-30 V偏压的薄膜的耐腐蚀性能最佳。薄膜的摩擦系数在0.19~0.30范围,磨损率在10-6 mm^(3)/(N·m)数量级,薄膜的摩擦系数和磨损率从小到大对应的偏压依次为-30 V<-15 V<-45 V<0 V。

电弧离子镀与中频磁控溅射复合制备TiAlN薄膜的研究

采用Ti靶电弧离子镀与Al靶中频磁控溅射相结合的复合工艺,分别在单晶硅抛光面和高速钢抛光面两种基体上成功地制备了TiAlN薄膜样品。扫描电镜、能谱和X射线衍射分析结果表明,此复合工艺下制备的TiAlN薄膜比TiN薄膜表面液滴尺寸更小,针状孔洞基本消除,组织更为致密均匀。TiAlN薄膜的Al含量(摩尔分数)为0.86%左右,x(Ti)%∶x(N)%约为1∶1,Al的加入使TiN结晶结构发生畸变,晶格常数变小。TiAlN薄膜的硬度比TiN薄膜的硬度有较大的提高,提高了30%左右。

中频磁控溅射TiAlN薄膜的制备与性能研究

采用中频非平衡磁控溅射离子镀技术在硬质合金基体YG6上制备TiAlN薄膜。利用XRD、EDS、体式显微镜、显微硬度仪和多功能材料表面性能测试仪等对其组织结构以及性能进行了研究分析。结果表明:低Al靶功率时,膜层以TiN、TiC形式存在,TiN的择优取向面(111),显微硬度与偏压有关;高Al靶功率时,膜层主要存在Ti3AlN、AlN相,Ti3AlN相沿(220)晶面择优取向;膜层结构致密均匀,N原子与金属原子比接近1:1;膜层厚度为1.93μm;显微硬度3145HV;结合力85N。

N_2流量对中频非平衡磁控溅射TiAlN薄膜结构及性能的影响

采用非平衡磁控溅射技术在AISI202不锈钢片和P(111)单晶硅基底上制备了TiAlN薄膜,并利用场发射扫描电镜(FESEM)、三维轮廓仪、X射线衍射仪(XRD)、X射线电子能谱仪(XPS)、纳米压痕仪对薄膜的结构和性能进行了考查。结果表明,随着N2流量的升高,TiAlN薄膜的沉积速率降低,Al/Ti比率先升高后迅速降低;薄膜主要由TiN立方晶构成,且随N2流量的升高晶粒尺寸减小,柱状晶结构变疏松。在氮气流量为20mL/min时,薄膜具有最高的硬度及结合力。

基体偏压对磁控溅射TiAlN薄膜性能的影响

采用中频孪生磁控溅射技术,以Q235碳钢为基体,通过调整薄膜沉积过程中基体负偏压大小,制备TiAlN薄膜.采用原子力显微镜(AFM)观察薄膜表面形貌,采用动电位极化试验研究薄膜的电化学腐蚀行为,用台阶仪和显微硬度计测量薄膜的厚度和硬度,用X-射线光电子能谱仪测试薄膜的组织成分.结果表明,TiAlN薄膜表面平整,粗糙度低.随偏压的增大,膜厚、显微硬度和耐腐蚀性都呈现也先增大,后减小的趋势.当负偏压增大到60 V时,薄膜的腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-256.2 mV和7.81×10-6A/cm2,抗腐蚀能力最强.X射线光电子能谱(XPS)检测结果表明,随负偏压幅的增大,Al/Ti原子比降低.