304不锈钢零件表面TiAlCN涂层变色原因分析

采用化学成分、金相检测、涂层厚度、维氏硬度、能谱及XPS表面分析等方法,对304不锈钢零件表面TiAlCN涂层变色原因进行分析。304不锈钢零件表面TiAlCN涂层变色主要在孔区域,表面有约20 nm的界面层,界面层硬度偏低且涂层厚度不均匀,有脱落;同时涂层中钛原子有氧化、铝元素含量偏高、碳元素含量偏低,使膜层结合力下降,最终导致TiAlCN涂层表面脱碳氧化,从而出现发白、发紫现象。

TiAlCN涂层界面扩散机理与结合强度

利用阴极弧离子镀在Cr12MoV钢表面制备了TiAlCN涂层,通过扫描电镜(SEM)、能量分散光谱法(EDS)、X射线衍射术(XRD)等手段分析了TiAlCN涂层的表面-界面形貌、化学元素分布和物相特性,并对其界面结合机理进行了探讨。结果表明,Al原子第一电离能低于Ti原子,容易从靶材上气化电离出来沉积在基体上,使得涂层中Al元素含量较高;涂层中TiN、AlN和AlTiN为硬质相,其中涂层中高含量的Al原子有利于提高抗磨损性能,无定形C原子有利于降低摩擦系数;Ti、Al、C、N等原子在涂层中产生富集现象,在结合界面处发生扩散,是形成冶金结合的主要机制。另外,用划痕法测得涂层界面结合强度为76.9N,具有较高的抗剥落能力。文中的结果为TiAlCN涂层在冷作模具表面改性处理中的应用提供了实验基础。

N_2流量对TiAlCN涂层结构和性能的影响

通过射频磁控溅射法制备了系列Ti Al CN涂层。研究结果表明,通过调节溅射过程中N2流量,Ti Al CN涂层的组成和结构均发生明显变化。很小的N2流量会导致Ti Al CN涂层的晶体结构发生显著变化。随着N2流量的增加,涂层物相组成由fcc-（Ti Al）C相转变为更为复杂的fcc-（Ti Al）（CN）相,同时析出hcp-（Al Ti）（CN）新相。N2流量的进一步增加使得涂层物相最终转变为以hcp-（Al Ti）（CN）为主导的相结构。此外,N2流量还会促进涂层中非晶碳的析出。N2流量为0.5 m L/min时,Ti Al CN涂层由于多相共存,晶粒显著细化,尺寸约为10~20 nm,此时涂层具有较好的力学性能和摩擦学性能。

碳含量对TiAlCN涂层结构和摩擦学性能的影响

目的 探索制备摩擦因数低、硬度高、弹性模量高和耐磨性高的TiAlCN涂层。方法 采用多弧离子镀技术在F690钢表面沉积具有不同碳含量的TiAlCN涂层。通过扫描电镜(SEM)、激光共聚焦显微镜、拉曼光谱仪、透射电子显微镜、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压痕仪、往复式摩擦磨损仪和台阶仪对涂层的结构、硬度、弹性模量、摩擦磨损性能和磨痕形貌进行分析。结果 碳含量对TiAlCN涂层的结构、硬度和摩擦学性能有比较明显的影响。涂层表面粗糙度会随着涂层中碳含量的增加而逐渐增大。此外,涂层的组成主要为fcc-TiN、fcc-TiC和hcp-AlN。随着涂层中碳含量的增加,涂层的晶粒取向由(111)变化为(200),同时涂层中的非晶含量也逐渐增加,涂层的纳米硬度和弹性模量也随之下降。碳的质量分数为15.57%的TiAlC80N320涂层具有36.21 GPa的硬度和430.15 GPa的弹性模量。在干摩擦条件下,TiAlC80N320涂层具有较低的磨损率,为2.85×10^(-6)mm^(3)/(N·m)。TiAlC160N320涂层具有较低的摩擦因数,但是具有较高的磨损率(4.31×10^(-6)mm^(3)/(N·m))。结论 涂层中碳含量的增加会导致涂层中非晶含量的增加,涂层的硬度、弹性模量和耐磨性会随之降低,涂层的摩擦因数会降低。

靶材中Al含量对TiAlCN涂层结构和耐磨性能的影响

异质原子掺杂的TiN涂层具有优异的耐磨、耐蚀性能和高温稳定性,这可为提高镁合金的表面性能和扩大镁合金材料的应用提供一种技术支持。采用Al,C双原子掺杂于TiN晶格,以合金靶材中Al原子的比例为变量,采用磁控溅射法在AZ91表面制备了Al-C原子共掺杂的涂层,并获得不同Al含量的TiAlCN涂层。采用X射线小角掠入射(GIXRD)、扫描电子显微镜(SEM)和销盘式摩擦磨损试验机研究了Al原子掺杂比例对TiAlCN涂层结构和耐磨性的影响。结果表明:涂层包含FCC结构TiN,AlN,TiCN三种物相,随着Al原子掺杂比例的增加,涂层生长的择优取向发生变化,晶粒尺寸增大,AlN相含量增加,涂层的摩擦系数和磨损率减小,40 at%Al的涂层耐磨性能最好。

C掺杂TiAlN涂层的硬度演变机理

C元素掺杂TiAlN涂层的增硬机理尚不明确,为了揭示C元索对涂层硬度的作用规律,采用阴极电弧离子镀膜技术在316不锈钢表面制备C原子比率分别为0%、3.87%、9.24%、14.76%、20.57%、25.90%的TiAlCN涂层,通过试验研究和密度泛函理论系统地从原子量级角度阐述C掺杂对涂层硬度的作用规律及机理。研究结果表明:C原子会置换TiAlN晶胞中的部分N原子形成TiAlCN固溶体相:随着C含量的增加,涂层硬度呈现先上升后下降的趋势,在C含量为14.76%时,涂层中Ti-N键转化成为Ti-C键的数量达到饱和,硬度达到最高值31.60GPa;当C原子含量高于14.76%时,涂层中出现类石墨结构,且随着C含量的增加,sp^(2)层状结构增多,在抵抗外界压力时石墨层发生侧滑,涂层硬度降低;第一-性原理数值模拟结果显示,随着C含量从0%增加到15.625%,涂层硬度逐渐上升是由于共价性较强的Ti-C键逐渐增加。阐明C元素掺杂对涂层硬度的作用变化规律,有利于指导超硬涂层的工艺设计和生产。

基于磁过滤技术TiAlCN/TiAlN/TiAl复合体系腐蚀及摩擦学性能

本文基于新型的磁过滤沉积技术(FCVA)研究了TiAlCN/TiAlN/TiAl多元复合涂层结构及不同C含量对其防腐耐磨性能的影响.同时使用SEM,XRD,XPS,电化学测试和摩擦磨损设备对其宏/微观性能进行了系统表征.实验结果表明:随C含量增加,C元素的存在形式从TiAlCN固溶相转化为TiAlCN固溶/非晶碳共存.典型的TiAlCN固溶/非晶碳纳米复合结构TiAlCN/TiAlN/TiAl涂层不仅具有超高硬度和高韧性,而且涂层中均匀无特征结构的非晶碳具有优异的自润滑效果,通过结合各层的优势,该结构涂层在3.5%NaCl电化学腐蚀试验中,Ecorr提高了5.6倍,为0.271V,Icorr降低为原来的1/52,为8.092×10^-9 A·cm^-2;在干摩擦实验中,摩擦系数降低了1/3,为0.43,磨损率降低了1/1.4,为1.13×10^-5 mm^3·N^-1·m^-1.