TiAlSiN纳米复合涂层的研究进展

随着现代加工需求的不断提高,对刀具涂层的性能要求愈发苛刻。相较于CrN、TiN、TiAlN等传统硬质涂层,TiAlSiN纳米复合涂层凭借优异的硬度、耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性,成为了减少工件磨损、延长使用寿命的最佳候选材料,被广泛应用于汽车、航空航天、通用机械等刀具加工领域,引起了研究者的广泛关注。为此,本文综述了TiAlSiN纳米复合涂层在微观结构、力学性能和实际应用方面的研究进展;阐述了TiAlSiN纳米复合涂层元素组成、制备工艺对其微观结构的影响规律及作用机理;重点讨论了TiAlSiN纳米复合涂层力学性能(如硬度、韧性、结合力及耐磨性)的影响规律及作用机制,包括归纳了Hall-Petch效应、固溶强化、共格外延、模量差异、晶界复合在内的5种TiAlSiN纳米复合涂层的增硬机理,对比分析了不同涂层增韧的途径与机制,探讨了TiAlSiN纳米复合涂层结合力与摩擦学性能的影响因素;最后,介绍了TiAlSiN纳米复合涂层在刀具、模具等典型应用领域的发展现状,并对TiAlSiN纳米复合涂层未来的研究趋势和发展方向进行了展望,以期为发展高效、高性能、低成本的刀具硬质涂层提供参考。

高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层结构调控与性能研究

采用高功率调制脉冲磁控溅射Al/（Al＋Ti）原子比（x）分别为0.25、0.5和0.67的TiAlSi合金靶,溅射功率1～4kW,氮气分压25%,工作气压0.3Pa,在Si（100）和AISI304奥氏体不锈钢基片上沉积了TiAlSiN纳米复合涂层。TiAlSiN涂层中氮含量保持在52.0at%～56.7at%之间,均形成了nc-TiAlN/a-Si3N4/AlN纳米晶/非晶复合结构。随着原子比x增加,非晶含量增加,涂层硬度先升高而后降低。当x=0.5时,硬度最高可达28.7GPa。溅射功率升高可提高溅射等离子体中金属离化程度,促进涂层调幅分解的进行,形成了界面清晰的非晶包裹纳米晶结构,且晶粒尺寸基本保持不变。当x=0.67时,溅射功率由1kW上升到4kW时,硬度由16.4GPa升至21.3GPa。不同靶材成分和溅射功率条件下沉积的TiAlSiN涂层的磨损率为（0.13～6.25）×10^-5mm^3/（N·m）,具有优良的耐磨性能。当x=0.67,溅射功率2kW时,nc-TiAlN/a-Si3N4纳米复合涂层具有最优的耐磨性能。

高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层对钛合金基体抗氧化性能的影响研究

目的研究Ti6Al4V基TiAlSiN涂层在800℃下的抗循环氧化性能。方法采用高功率调制脉冲磁控溅射技术,通过调节N2/Ar的流量比fN2,在Ti6Al4V合金和Si(100)上沉积了一系列不同Si含量的TiAlSiN涂层。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、电子探针、透射电镜和纳米压痕仪,表征了TiAlSiN涂层的成分、相组成、微结构和硬度,并通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜,进一步对Ti AlSiN涂层在800℃下循环氧化后的微观结构和形貌进行分析。结果脉冲平均功率为2k W时,fN2由10%增至30%,TiAlSiN涂层的Si含量(以原子数分数计)由6.1%增加至16.4%,涂层中Ti和Al含量则相应地降低。当fN2为10%时,TiAlSiN涂层呈现典型的X射线非晶结构特征,涂层中N含量(以原子数分数计)约为47%;当fN2为30%时,TiAlSiN涂层呈现Ti Al N和非晶相的混合结构。TEM结果表明,涂层中TiAlN晶粒尺寸约为5nm并均匀镶嵌在非晶相上。所有沉积于Si基底上的TiAlSiN涂层均具有相近的纳米硬度、弹性模量及残余应力,分别为17 GPa、225 GPa和–300 MPa。选取fN2为10%和25%,溅射具有不同氮含量和特征微结构的TiAlSiN涂层作为Ti6Al4V合金防护涂层,研究涂层的抗循环氧化性能。在800℃高温循环氧化70h后,TiAlSiN涂层保护的合金样品较原始样品呈现更优异的抗氧化性能,且fN2为25%制备的高Si含量TiAlSiN涂层较fN2为10%制备的涂层具有更为优异的抗循环氧化性能。循环氧化后,TiAlSiN氧化层结构完整致密并呈现柱状晶特征,氧化层由上至下分别形成富α-Al2O3、a-TiO2及r-TiO2三层结构。结论高Si含量的TiAlSiN涂层具有更低的氧化速率,涂层的纳米复合结构和低压缩应力是其抗循环氧化能力提高的主要原因。

Si含量对TiAlSiN纳米复合涂层的微观结构和力学性能的影响

采用不同Si含量的TiAlSi复合靶,在Si基底片上用射频磁控溅射工艺沉积了TiAlSiN纳米复合涂层,采用X射线衍射仪(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和纳米压痕技术研究了Si含量对TiAlSiN涂层的微观结构和力学性能的影响.结果表明:TiAlSiN涂层内部形成了Si3N4界面相包裹TiAlN纳米等轴晶粒的纳米复合结构.随着Si含量的增加,TiAlSiN涂层的结晶程度先增加后降低,涂层内部的晶粒尺寸先减小后趋于平稳,涂层的力学性能先升高后降低.当Si与TiAl原子比为3∶22时获得的最高硬度和弹性模量分别为37.1GPa和357.3 GPa.

TiAlSiN纳米复合涂层的改性研究现状及发展

随着切削技术向高速、高效、高精、绿色、智能方向发展,切削加工对刀具及涂层性能提出了更高的要求,以TiAlSiN涂层为代表的四元硬质涂层发展迅速。综述了单层TiAlSiN纳米复合涂层的制备工艺、结构与性能特点,根据TiAlSiN单层涂层存在低韧性和低结合强度的问题,提出了对TiAlSiN涂层改性研究的必要性。综述了结构改性、成分改性以及二者相结合改性TiAlSiN涂层的制备工艺、结构与性能特点,指出了纳米多层结构的TiAlSiN涂层中存在的横向层间界面对原子的扩散具有良好的阻碍作用,涂层的抗氧化性由此被提高,涂层硬度等力学性能受多层结构的调制层成分、调制周期等因素影响而被提高或降低。介绍了C、Cu、Cr、V等合金化元素在TiAlSiN涂层中的作用效果,C元素在涂层中具有减摩作用,Cu元素的主要作用是增强涂层与基体的结合,Cu、Cr、V元素在涂层中均使涂层硬度不同程度降低,提出了最大限度发挥添加元素与层间界面结构的协同作用来获取最佳性能的纳米多层结构TiAlSiN基多元涂层是今后研究的重要方向之一。此外,还提出了通过基体前处理和涂层后处理增强TiAlSiN涂层韧性和层基结合强度的发展方向。

TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层刀具干切削TC4钛合金切削性能

钛合金因其化学活性和切削高温引起刀具磨损严重。刀具表面施加涂层是有效地延长刀具服役时间的方法。借助PVD阴极电弧蒸发技术,使用TiAlSi靶和CrAlSi靶交替叠加制成TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层刀具,并使用这种刀具分别切削常规钛合金和3D打印钛合金。所制成的TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层表现了较高的硬度;切削钛合金时,刀具的磨损形式表现为涂层剥离,前刀面月牙洼,后刀面均匀磨损和刀尖崩刃。引起刀具磨损的主因是粘结,其次是高温氧化。三个切削用量中,切削速度对切削力和切削温度的影响要远大于切削深度和进给量对二者的影响。与常规TC4相比,3D打印TC4因伸长率和硬度下降,弹性模量提高促使切削温度和切削力均低于常规TC4,刀具寿命相应的延长。

纳米复合智能防腐涂层在金属表面上的应用研究

智能防腐涂料能可有效地提高金属的使用寿命,因而具有自愈功能的智能防腐涂料越来越受到人们的重视。概述了pH响应、光刺激响应、离子响应等不同触发机制的纳米智能防腐机制研究,总结了不同金属表面纳米复合智能防腐涂层研究进展,最后提出金属表面智能自修复防腐涂层发展所面临的挑战和未来发展前景。

碳纳米管-碳纤维增强二硫化钨/聚酰胺酰亚胺复合涂层摩擦学性能研究

通过稀土接枝方法将碳纳米管(CNTs)接枝在碳纤维(CF)表面,得到碳纳米管-碳纤维(CNTs-CF)多尺度增强体;以聚酰胺酰亚胺(PAI)为粘结剂,二硫化钨(WS_(2))为固体润滑填料,制备了二硫化钨/聚酰胺酰亚胺(WS_(2)/PAI)复合涂料.在WS_(2)/PAI复合涂料中添加CNTs-CF,涂覆在铝合金样块表面形成碳纳米管-碳纤维增强二硫化钨/聚酰胺酰亚胺(CNTs-CF/WS_(2)/PAI)复合涂层.采用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman spectra)和扫描电子显微镜(SEM)对CNTs-CF粉末进行表征;采用CFT-Ⅰ型材料表面性能综合测试仪和VH-2000C型超景深三维显微系统测试分析了不同试验条件下CNTs-CF对WS_(2)/PAI复合涂层摩擦学性能的影响.试验表明:在WS_(2)/PAI复合涂层中添加适量CNTs-CF能显著提高涂层材料的结合强度和耐磨性能,并一定程度上改善涂层的润滑效果.当CNTs-CF的质量分数为1.5%时,涂层的耐磨减摩性能最佳,在不同载荷下均表现出较低的摩擦系数和磨损率.CNTs-CF/WS_(2)/PAI复合涂层优异的摩擦学性能主要归因于WS_(2)的润滑作用、稀土Ce的桥接作用和CNTs-CF的增强作用.

改性纳米SiO_(2)-苯丙乳液混凝土复合防护涂层的制备及性能研究

采用硅烷偶联剂KH560对纳米SiO_(2)进行接枝改性,通过傅里叶红外变换光谱、热重分析及微观形貌分析等方法研究了KH560对纳米SiO_(2)改性机理的影响,探究了改性SiO_(2)-苯丙乳液复合涂层中掺入一定质量分数的改性纳米SiO_(2)对混凝土抗硫酸盐溶液冻融性能的影响,并分析了改性纳米SiO_(2)对苯丙乳液涂层的增强机理。结果表明:采用KH560改性后,纳米SiO_(2)颗粒的团聚状态得到了显著改善,热稳定性提高;当改性纳米SiO_(2)的质量分数为4%时,C4复合涂层对混凝土的防护作用最好,此时混凝土抗硫酸盐溶液冻融等级由F100~F150提升到F300以上;300次硫酸盐溶液冻融循环后,混凝土的质量损失率仅为0.35%,相对动弹性模量为96.2%,此时混凝土内部结构并未发生明显破坏。

等离子增强磁控溅射制备TiCr基纳米复合涂层的显微组织和性能

使用等离子增强磁控溅射技术,利用三甲基硅烷TMS(Si-C)以及六甲基二硅氧烷HMDSO(Si-CO)气体在H13钢表面制备了TiCrSiCN和TiCrSiCON纳米复合涂层。结合SEM、AFM、XRD、EDS等研究了O元素对涂层显微组织、物相组成、表面能、硬度、摩擦因数、耐磨和耐高温氧化性能的影响。结果表明:与无氧的TiCrSiCN涂层相比,含氧的TiCrSiCON涂层表面较粗糙,致密度低,且存在典型的柱状组织,从而导致其较高的表面能;O元素的加入提高了涂层的硬度,使TiCrSiCON涂层的耐磨性能显著提高,但TiCrSiCN和TiCrSiCON的摩擦因数相差不大;TiCrSiCON涂层中的Cr元素易与O元素结合形成一层致密的氧化膜,从而提高了其耐高温氧化性能。

纳米二氧化铈对铝合金环氧镁铝复合涂层的防护作用研究

为了获得耐腐蚀性能较好的涂层,采用一定质量的铝粉代替镁粉,并添加纳米二氧化铈,制备了改性的铝合金表面环氧镁铝复合涂层。采用马丘测试、划叉浸泡实验、X射线衍射分析、扫描电子显微镜等方法,研究了镁粉、铝粉及二氧化铈对环氧镁铝复合涂层的防护作用,并得到二氧化铈与镁粉和铝粉的协同保护机理。结果表明:当镁粉质量分数为30%、铝粉质量分数为20%时,环氧镁铝复合涂层具有较好的耐腐蚀性能。纳米二氧化铈在涂层中的最佳填充量为5%时,可以增强复合涂层对铝合金基体的防护作用。镁粉、铝粉粒子在复合涂层中有大量的分布,粒径较大。少量的纳米二氧化铈粒子在复合涂层中呈球状分布、粒径较小,且涂层形貌均匀致密,屏蔽性能较好。改性后的复合涂层显著增强了铝合金在服役环境中的耐腐蚀性能。

多糖-纳米材料复合涂层在水果保鲜中的研究进展

由于多糖具有生物降解性和无毒性,已广泛应用于水果保鲜,但由于其机械性能差、抗水性能低等缺点,在水果保鲜中达不到最佳效果。随着科技的发展,纳米材料逐渐进入研究者的视野。纳米材料具有独特的性能,常将其与多糖复合使用来提高涂层的机械以及气体阻隔性能,且安全无毒和不影响多糖的可生物降解能力,因此被广泛应用于水果保鲜。研究表明,多糖-纳米材料复合涂层可以通过保持硬度、减缓成熟过程、降低呼吸速率和抑制微生物生长来延长水果的保质期。同时,由于纳米材料具有迁移的特性,故纳米复合涂层的安全性和适用性还需持续关注。

感应熔覆原位自生TiC增强钛基复合涂层的纳米力学性能

为揭示感应熔覆原位TiC/Ti复合涂层微观结构与力学性能的对应关系,利用单一纳米压痕测试方法研究涂层内不同相结构的纳米力学性能变化规律,利用点阵压痕测试方法研究涂层微区结构的力学性能。单一压痕结果显示原位TiC增强相的纳米压痕硬度和弹性模量分别为21.3 GPa和275 GPa,富α-Ti与富β-Ti区域的基质相平均纳米硬度分别为4 GPa和6 GPa,平均弹性模量分别为130 GPa和155 GPa。点阵压痕与单一压痕测试结果之间具有较好的对应关系,对点阵纳米压痕测试结果进行三峰高斯拟合得到的最小峰值代表了涂层基质相的力学性能,中间峰值反映涂层的综合力学性能,最大峰值因受增强体尺寸与压痕位置的影响低于原位TiC增强体的真实力学性能。在考虑涂层微观结构与增强体尺寸的情况下,通过合理设置点阵压痕测试条件,选择适当的测试区域,可以在获得原位钛基复合涂层不同相结构真实力学性能的同时,揭示涂层的综合性能。

一种可食易洗的纳米纤维素-蛋白复合涂层对香蕉保鲜效果的研究

本研究以蛋白和纳米纤维素为主要原料,制备了具有抗菌性能的果蔬保鲜涂层,以香蕉为测试对象,研究了涂层的保鲜效果,并分析了涂层在香蕉表面的形态、抗菌效果和溶解性。结果表明,涂层在香蕉表面形成了致密的保护层,通过阻隔氧气和防止微生物侵染等方式对香蕉起到了保鲜作用。在室温储存的条件下,保鲜涂层将香蕉的货架寿命从5天左右延长到了超过10天。并且涂层原料可食,具有极佳的溶解性,用冷水容易洗掉,不会破坏水果的风味。本研究为新鲜果蔬的采后储存和延长货架期提供了一种绿色安全、简便高效的保鲜方法。

SiC纳米线对大气等离子喷涂硅涂层性能的影响

为提升C/SiC复合材料表面Si涂层的韧性及其与C/SiC复合材料的结合强度,首先以10 mm×10 mm×10 mm的C/SiC复合材料作为基体,在基体表面生成约20μm厚的SiC纳米线(SiCnws)多孔层;再用大气等离子体喷涂法分别将生长SiCnws的基体和未生长SiCnws的基体喷涂约30、60、90μm厚的Si涂层。研究SiCnws对涂层试样的结合强度和抗氧化性的影响,并借助XRD、SEM、TEM和EDS对所制备的SiCnws和SiCnws/Si涂层进行物相组成、显微结构的分析。结果表明:1)制备的SiCnws形状平直,表面光滑,取向随机,直径为100~200 nm,是沿[111]晶向择优生长的β-SiC;2)SiCnws引入到Si涂层后,SiCnws/Si涂层试样的结合强度均比相应的Si涂层试样的高,说明SiCnws增强了Si涂层与C/SiC复合材料的结合;3)从室温至1400℃经历12次热震循环后,SiCnws/Si涂层试样的质量损失率比相应Si涂层试样的低20.7%~37.2%,说明SiCnws能有效缓解热应力,抑制裂纹的形成和扩展,降低裂纹尺寸和数量,提高涂层的抗氧化性。

TiB_(2)纳米涂层改性碳纤维增强Mg基复合材料的微观结构及力学性能

采用新颖的溶胶-凝胶与碳热还原相结合的方法,对M55J连续碳纤维(Cf)表面进行TiB_(2)纳米涂层改性。首先,制备了掺杂五硼酸铵(NH_(4)B_(5)_(O8)的)TiO_(2)溶胶(0.2 mol/L)(Ti与B的物质的量比为1∶2),然后将其均匀涂覆到C_(f)表面。XPS分析表明,经1350℃烧结120 min后,C_(f)表面涂层发生原位反应并生成了TiB_(2)。采用压力浸渗法分别制备了体积分数为40%和50%的Cf增强镁基(C_(f)/Mg)复合材料,其抗弯强度分别达到720 MPa和870 MPa。然而,对比实验表明Mg基体不能浸渗到无涂层的C_(f)预制体中。HRTEM分析表明,厚度为20~30 nm的界面层由TiB_(2)和少量的TiC、TiO_(2)纳米颗粒组成。C_(f)表面的TiB_(2)纳米涂层可以改善C_(f)与Mg基体之间的润湿性,提高C_(f)/Mg复合材料的力学性能。

热解法制备碳纳米管及其在散热涂层中的应用研究

热管理在电子器件运行中起着至关重要的作用,在电子器件表面涂覆散热涂层可以有效强化辐射换热。以生物质为原材料制备碳纳米管(s-CNTs)并应用于散热涂层中,并测试其热性能。实验结果表明,反应前后均研磨比反应前研磨的s-CNTs平均孔径小27.6%,TEM表征s-CNTs管径在50~100 nm;当s-CNTs质量分数达到6%时,制备的涂层平均辐射率达到了0.9146;涂覆s-CNT散热涂层从100℃降为室温时,降温速率高达20℃/min。因此,s-CNTs纳米涂层在电子器件散热方面具有较好的应用前景。

掺锑氧化锡/环氧复合涂层对Q235碳钢的防腐性能研究

以无机金属纳米氧化物(纳米氧化锡(SnO_(2))、纳米氧化锡锑(ATO))作为环氧树脂涂料填料,采用旋涂法在Q235钢板表面制备复合涂层,采用电化学阻抗法研究了Q235碳钢在3.5%NaCl溶液中的耐腐蚀性能。电化学测试结果表明,添加质量分数3%纳米ATO的环氧复合涂层的保护效率达到了79.36%,高于添加SnO_(2)的环氧复合涂层的保护效率60.38%。这可能是因为纳米ATO的椭球状结构在复合涂层中发挥了有效填充作用,进而提高了涂层致密度。盐雾试验结果表明,微量纳米粒子的加入可显著增强复合涂层的耐盐雾能力,提高涂层的服役寿命。

SiO_(2)-BNNSs杂化材料对磷酸盐复合涂层高温摩擦学性能的影响

目的通过在磷酸盐复合涂层中添加二氧化硅杂化氮化硼纳米片材料(SiO_(2)-BNNSs)来提升磷酸盐复合涂层的硬度和耐高温磨损性能。方法以正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源,利用溶胶凝胶法制备SiO_(2)-BNNSs杂化材料,并作为纳米增强相加入到涂层中。通过X射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)对SiO_(2)-BNNSs杂化材料的化学组成和微观形貌进行表征。另外,采用喷涂法制备不同含量BNNSs和SiO_(2)-BNNSs的磷酸盐复合涂层,通过高温摩擦磨损试验探究涂层的摩擦磨损行为,对涂层磨痕形貌进行表征,并探讨涂层在高温条件下的磨损机理。结果XPS、SEM和TEM的分析结果表明,SiO_(2)成功修饰在BNNSs表面。SiO_(2)-BNNSs磷酸盐涂层相比零含量BNNSs涂层和纯BNNSs涂层表现得更加均匀致密,400℃条件下,质量分数为0.4%的SiO_(2)-BNNSs涂层硬度高达261.2HV。高温摩擦试验表明,BNNSs和SiO_(2)-BNNSs的加入,可以减轻涂层的磨损现象。同时,温度越高,涂层的耐磨损性能越好,400℃条件下,0.4%SiO_(2)-BNNSs涂层的摩擦因数和磨损率分别为0.48和66.24×10–6mm^(3)/(N·m),耐高温磨损性能表现为最佳。结论SiO_(2)-BNNSs杂化材料的添加可以明显提升磷酸盐复合涂层的耐高温磨损性能。

石墨烯/碳纳米管/聚苯胺复合导电防腐涂层的制备及性能

以二乙烯三胺(DETA)为氨基改性剂对氧化石墨烯(GO)进行处理,以硫酸和硝酸对碳纳米管(CNT)进行酸化,两者混合并以苯胺为单体,采用原位聚合法制备了氨基改性石墨烯/酸化碳纳米管/聚苯胺复合材料(DGO/ACNT/PANI),通过透射电子显微镜(TEM)表征了它的形貌。再以水性环氧树脂乳液(EP)为成膜树脂,在Q235钢表面制备了DGO/ACNT/PANI/EP复合涂层。采用四探针仪测量了涂层的电阻率,通过极化曲线测试和盐雾试验考察了涂层的防腐蚀性能,并对涂层的力学性能进行了评价。结果表明,相比于采用未改性GO或CNT制备的复合涂层,DGO/ACNT/PANI/EP复合涂层很好地兼顾了导电、防腐和力学性能,其体积电阻率为0.36Ω·m,附着力0级、铅笔硬度2H、柔韧性5 mm,耐盐雾腐蚀性能优异。