偏压对HiPIMS制备TiAlSiN涂层结构与性能的影响

为了探究偏压对高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)制备TiAlSiN涂层的成分结构、力学性能与摩擦学性能的影响与机制,利用HiPIMS技术,通过调控基体偏压(0~-200 V)在YG8硬质合金与N型单晶(111)Si上沉积TiAlSiN涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子探针(EPMA)、X射线光电子能谱仪(XPS)、超景深显微镜、白光干涉仪、纳米压痕仪、划痕仪、往复式摩擦磨损试验机对TiAlSiN涂层进行微观结构、组成表征与性能测试。结果表明:HiPIMS放电行为方面,偏压的升高会使HiPIMS起辉电压提高,但对平台阶段放电电压与放电电流影响并不明显;在不同偏压条件下所制备的TiAlSiN涂层中元素组成相对含量变化较小;随着偏压的升高TiAlSiN涂层由hcp-(Ti,Al)N+fcc-(Ti,Al)N转变为fcc-(Ti,Al)N;随着偏压的升高会使涂层截面结构从疏松的柱状晶结构转变为无明显缺陷的致密堆积结构,表面结节状缺陷消失,且晶粒尺寸逐渐降低;力学性能方面,随着偏压的升高,TiAlSiN涂层的硬度与结合力均呈现上升趋势,涂层在-200 V时达到最佳性能,其中硬度达到最大的26.19 GPa,H/E^(*)达到最大的0.0995,结合力在达到最大的19.63 N时,涂层磨损率最小,为9×10^(-15)m^(3)/(N·m)。综上可知,利用HiPIMS技术,通过改变基体偏压能实现涂层微观结构与性能的调控,提高涂层韧性的同时,还能显著提升涂层的结合力与摩擦学性能。

多弧离子镀沉积TiAlSiN涂层微观结构及力学性能分析

为开发适用于切削316L不锈钢的刀具涂层,现采用多弧离子镀技术在硬质合金基体上沉积TiAlSiN纳米复合涂层的方法,此方法可为该涂层体系进行不锈钢加工的深入研究提供参考。

阴极弧离子镀TiAlSiN涂层的微观组织与性能

采用阴极弧离子镀法在GH4169 Ni基合金表面制备TiAlSiN涂层,通过SEM,EDS,XRD和XPS等手段对TiAlSiN涂层表面界面形貌、能谱以及物相结合能谱进行测试分析,并对其结合界面化学元素进行线扫描分析,讨论涂层界面结合机理。研究结果表明:TiAlSiN涂层主要成分为Al,Ti,Si和N元素,化学元素分布均匀,表面没有产生富集现象;涂层具有较强的TiSix和SiNx择优取向化合物,为非晶结构;TiAlSiN涂层是由TiN,AlN和Si3N4等物相组成,Si元素以Si3N4非晶相形式包覆在(Al,Ti)N晶界,细化了涂层晶粒尺寸,其显微硬度达到3 200;涂层在结合界面发生一定的扩散,与基体形成化学结合方式,划痕法测得其结合强度为40.5 N。

真空热处理对多弧离子镀TiAlSiN涂层性能的影响

为提高TiAlSiN涂层的力学性能,研究了真空热处理对多弧离子镀TiAlSiN涂层微观组织和力学性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、自动划痕仪、纳米压痕仪、摩擦磨损测试仪等表征其表面形貌、物相组成和力学性能。结果表明:热处理引起了涂层的晶格畸变,降低了TiN固溶体相的平均晶格常数,导致其衍射峰向高角度偏移;热处理会粗化涂层表面,并导致TiAlSi中间过渡层界面消失。经过800℃热处理后,涂层的纳米硬度和结合力达到最大值,分别为35.01 GPa和54.45 N;涂层的平均摩擦因数最小,由热处理前的0.679降低至0.372,比热处理前下降了约45.2%。

PVD制备TiAlSiN涂层的研究进展

概述了物理气相沉积(PVD)技术制备TiAlSiN涂层的研究现状及发展趋势,详细分析了Si元素的添加及Si与Al元素的含量对TiAlSiN涂层的微观结构、力学性能、高温抗氧化性和热稳定性的影响。解决PVD制备TiAlSiN涂层较低的膜基结合力和较大的残余应力等问题应是今后重点研究的方向。

阴极电弧离子镀TiAlSiN涂层的高温抗氧化性能研究

采用阴极电弧离子镀工艺在硬质合金基体表面沉积TiAlSiN涂层,在箱式电阻炉内对涂层进行了高温抗氧化实验,分析了涂层高温氧化后的表面形貌、断口形貌以及组织成分,并将TiN、AlTiN涂层式样的氧化行为进行对比。结果表明:800℃时,TiN、AlTiN涂层均已受到不同程度的氧化破坏,TiN涂层已经失效,TiAlSiN涂层的断口组织均匀,连续性好。通过能谱分析,引入Si元素涂层表面氧化率低于TiN、AlTiN涂层,使得TiAlSiN涂层的抗氧化性能更好。同时,TiAlSiN涂层在1000℃开始发生氧化破坏,基体边缘受损。

锆合金表面TiAlN和TiAlSiN涂层微观形貌和性能的研究

对Zr-4合金表面分别进行多弧离子镀TiAlSiN涂层和TiAlN涂层。利用扫描电镜对涂层进行表面微观形貌观察;利用ImageJ对涂层大颗粒分布进行统计和分析;利用X射线衍射仪对涂层进行物相分析;利用自动划痕仪对涂层的力学性能进行检测;利用高温热处理炉对涂层试样进行800℃高温抗氧化实验。结果表明:TiAlSiN涂层表面的大颗粒数较TiAlN涂层的少。TiAlSiN涂层中除了与TiAlN涂层共同拥有的Ti_2N、Ti_3AlN物相外,还生成了AlN物相和非晶相Si_3N_4。由于Si元素的加入引起残余应力,TiAlSiN涂层的膜基结合力低于TiAlN涂层。TiAlSiN涂层试样的氧化增重远低于TiAlN涂层的氧化增重。

TiAlSiN涂层增韧技术及抗氧化性研究进展

TiAlSiN涂层具有较好的综合力学性能、抗氧化性和热稳定性能,不仅满足刀具、钻头等加工工具表面强化需要,还能应用于高温塑料模具表面强化、汽轮机叶片高温防护、高速微系统齿轮耐磨性提高等方面,被认为是最新一代的超硬涂层材料之一,具有良好的市场应用前景。综述了TiAlSiN涂层增韧技术、涂层氧化机理和抗氧化性的研究进展,分析了TiAlSiN涂层在增韧和抗氧化方面存在的问题,并提出了今后的研究方向。

阴极弧离子镀TiAlSiN涂层表面-界面能谱分析与结合强度

采用阴极弧离子镀法在H13钢表面制备Ti Al Si N涂层,通过SEM对Ti Al Si N涂层表面和界面形貌进行了观察,通过EDS和XRD对其化学元素和物相进行了分析,利用划痕法测定了其结合强度,并对其界面结合机理进行了探讨。结果表明:Ti Al Si N涂层表面主要成分为Ti、Al、Si和N元素,各元素分布均匀,未产生富集现象;高硬度的Ti Al N是由Al原子以置换方式取代Ti N中部分Ti原子生成的,且Ti N和Al N晶粒得到细化,形成较为致密的结构,使涂层硬度得到了提高;Ti、Al、Si、N等原子在结合界面处发生相互扩散,是形成冶金结合的主要机制;Ti Al SN涂层/H13钢体系具有较好的结合强度,用划痕法测得涂层界面结合强度为44 N。

阴极离子镀TiAlSiN涂层高温摩擦与磨损性能

采用阴极离子镀在H13钢表面制备了TiAlSiN涂层,通过扫描电镜、X射线衍射仪、原子力显微镜分析了涂层表面-界面形貌、物相和三维表面微观形貌。利用EDS面扫描分析了磨痕表面化学元素分布,讨论了高温对涂层摩擦磨损性能的影响。结果表明,TiAlSiN涂层表面主要元素由Ti、Al、Si和N组成,主要物相为(Ti,Al)N,未发现Si3N4相;高温氧化后生成的致密氧化膜Al2O3提高了涂层高温抗氧化性,Si O2降低了涂层表面摩擦因数,结构疏松的Ti O2易导致涂层破裂和剥落;TiAlSiN涂层表面粗糙度高于基体表面粗糙度,磨痕表面Ti和Al元素出现贫集区,表明涂层被磨穿;在700、800和900℃下,涂层表面摩擦因数均在0.3左右,在700℃时磨损机制主要为氧化磨损和粘着磨损,在800℃和900℃时主要为氧化磨损,伴随着少量粘着磨损和磨粒磨损。

过渡层对TiAlSiN涂层性能的影响

研究不同的过渡层对TiAlSiN涂层结合力和高温抗氧化性的影响。利用划痕仪测定临界载荷,用体视显微镜观察划痕形貌;利用高温热处理炉对试样进行800℃高温抗氧化实验和1200℃淬火实验,并观察宏观形貌;利用X射线衍射仪对涂层进行物相分析。结果表明:基材进行氮化处理对涂层膜基结合力的提升和高温抗氧化性能的提高有一定的加强作用,Cr过渡涂层对涂层膜基结合力和高温抗氧化性能的提高较大,其氧化速率远低于经过氮化处理的锆合金表面涂层的氧化速率,膜基结合力大约33N;通过物相分析,涂层均生成了对应的物相,当氮化剂量达到一定值后,会生成硬度较高的Zr N物相。

电压对刀具用42CrMo钢离子镀TiAlSiN涂层组织及耐磨性能的影响

为了提高刀具用42CrMo钢的耐磨性能,采用电弧离子镀技术在其表面沉积制备TiAlSiN涂层,并测试分析了励磁电压对其组织结构及摩擦学性能的影响。研究结果表明:提高电压后涂层表面粗糙度也随之增大,制得厚度更大的TiAlSiN涂层,从最初的2.16μm持续增大到4.85μm,表面粗糙度增大。随电压升高,涂层沿垂直基体表面的方向生长,获得了更明显的柱状晶,空隙数量也进一步增加,降低了涂层的组织致密度。随着电压的上升,等离子体离化率也明显提升,制备得到了硬度更高的涂层,涂层的厚度也明显增大。电压增加过程中,TiAlSiN涂层的摩擦系数和磨损率表现出先下降再升高的变化规律,当电压达到30 V电压时获得了最低磨损率。涂层存在磨粒磨损现象,可以观察到部分涂层发生了剥落。30 V电压时涂层表面变得更加平整,形成了更加致密的组织,耐磨性显著提高。

多层梯度结构对TiAlSiN涂层摩擦磨损性能的影响

为提高304不锈钢耐磨损性能,采用磁过滤阴极弧等离子体沉积的方法制备TiAlSiN多层梯度涂层,研究多层梯度结构对涂层摩擦磨损性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压痕仪和划痕仪等方法对涂层的表面形貌、物相结构以及力学性能进行表征,并通过MST-3001摩擦磨损试验仪测试不同结构涂层的摩擦磨损性能。结果表明:与TiAlSiN单层涂层相比,TiAlSiN多层梯度涂层具有更高的结合力和韧性;两种涂层的摩擦因数和磨损率都远小于304不锈钢,其中TiAlSiN多层梯度涂层具有比单层涂层更低的磨损率,磨损率由2.6×104μm3/(N·m)降至8.5×103μm3/(N·m),降低了67.8%,TiAlSiN多层梯度涂层磨痕表面光滑致密,主要磨损机制为轻微粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损的协同作用。

溅射工艺参数对TiAlSiN涂层硬度及膜基结合力的影响

近年来超硬涂层的出现,为高速切削、干式切削的高质量刀具的发展,提供了契机。本文开展了磁控溅射法制备TiAlSiN涂层的工艺研究,在不同工艺下,获得了厚度2.0-4.0μm的TiAlSiN涂层,运用纳米压入硬度测试仪、划痕仪和洛氏硬度计等对涂层性能进行表征,研究了制备工艺参数对涂层硬度、膜基结合力的影响规律。结果表明：随着氮氩比、沉积温度和基体负偏压的增大,纳米硬度和弹性模量都是先升高后降低。靶基距为8 cm、温度为100℃、氮氩比为1/3、靶电流为1.5 A、基体负偏压为-100 V时涂层的平均纳米硬度超过40 GPa,达到了超硬水平;涂层与高速钢基体的膜基结合力随着靶基距的加大而降低,随着磁控电流的增大而增大;在沉积温度和基体负偏压由低到高变化时,涂层结合力变化趋势一致,都是先升高后降低。

TC11钛合金TiAlSiN涂层微织构表面脂润滑摩擦性能研究

研究了激光微织构处理后材料表面覆盖TiAlSiN涂层在脂润滑条件下的摩擦磨损性能。使用声光调Q二极管Nd:YAG激光器在TC11钛合金表面进行织构化处理。使用磁控溅射设备在织构后表面加镀覆TiAlSiN涂层。通过Rtec通用摩擦磨损试验机考察涂层织构在脂润滑条件下的摩擦磨损性能。通过加工不同密度研究织构形貌参数对摩擦性能的影响。研究结果表明:在室温滑动摩擦条件下TiAlSiN涂层能够保护基体减小磨损,表面织构能够进一步减小摩擦系数。在织构密度为30%时摩擦系数最小。

0Cr15Ni5Cu2Ti钢表面多弧离子镀TiAlSiN涂层的性能研究

采用多弧离子镀技术在0Cr15Ni5Cu2Ti钢表层制备TiAlSiN涂层;采用X射线衍射分析膜层的物相成分;利用显微硬度计检测涂层的硬度;利用扫描电镜观察TiAlSiN涂层的形貌;利用能谱仪对涂层表面的组成及含量采取分析;采用自动划痕仪测定涂层结合力;用高温热处理炉对涂层进行高温抗氧化实验。结果表明:基材经多弧离子镀膜,其表面均匀平整、致密度高,但有一定量的微孔洞和大颗粒。镀有TiAlSiN涂层的试样平均硬度达到1971.4HV0.2。镀有TiAlSiN涂层的试样与原始0Cr15Ni5Cu2Ti钢的相比,其氧化速率远低于原始0Cr15Ni5Cu2Ti钢的,而高温抗氧化性优于原始0Cr15Ni5Cu2Ti钢。划痕实验结果表明:膜基结合力约10N,此次实验涂层与基材的结合力较低。

模具钢TiAlN和TiAlSiN涂层的制备及性能

采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术在H13(4Cr5MoSiV1)热作模具钢和Cr12MoV冷作模具钢表面制备了TiAlN和TiAlSiN涂层。通过X射线衍射仪、扫描电镜、划痕仪和电化学工作站等分析了TiAlN和TiAlSiN涂层的微观结构、形貌和综合性能。结果表明:涂层表面较平整致密,截面无明显裂纹、孔洞等缺陷。TiAlN和TiAlSiN涂层的主要相结构均为TiN,涂层和基体结合较紧密,膜基之间存在元素互扩散。在残余应力的作用下Si元素的加入使TiAlSiN涂层结合力弱于TiAlN涂层。涂层提高了基体的耐蚀性,在3.5%NaCl溶液中涂层的自腐蚀电位相对于基体均正移,与基体相比,TiAlN涂层的自腐蚀电流密度降低了一个数量级,TiAlSiN涂层的自腐蚀电流密度降低了两个数量级,耐蚀性优于TiAlN涂层。涂层腐蚀机制主要是点蚀。涂层大幅降低了H13钢基体的氧化增重速率,TiAlSiN涂层中形成的SiO_(2)和Al_(2)O_(3)共同组成阻氧膜层,进一步提高了基体的抗高温氧化性能。

锆管表面Cr/TiAlSiN涂层的高温抗氧化性能

为了在锆合金管材表面制备一种抗高温氧化性能优良的复合涂层,采用多弧离子镀技术,在锆管表面先用纯铬靶沉积Cr过渡层,再用TiAlSi靶通入氮气反应沉积TiAlSiN表面层,制得了Cr/TiAlSiN复合涂层。对锆合金单一Cr涂层和Cr/TiAlSiN复合涂层试样进行了淬火对比试验;对锆合金基材和Cr/TiAlSiN复合涂层试样进行了高温水蒸气氧化对比试验。肉眼观察1 200℃淬火前后宏观形貌,用SEM观察涂层1 200℃水蒸气氧化前后微观形貌,热重试验法测试样品在水蒸气氧化过程中的重量变化、氧化反应速率。结果表明:复合涂层在1 200℃淬火条件下未见剥落和开裂现象,而单一Cr涂层淬火后出现局部剥落;锆管基材经水蒸气氧化后表面生成氧化锆,出现微孔洞;复合涂层试样表面生成致密氧化物,氧化放热反应速率变缓。在本试验条件下,Cr/TiAlSiN涂层具有较好的高温抗氧化性能。

微纳米超硬TiAlSiN涂层的研究与应用进展

微纳米超硬TiAlSiN涂层是一种硬度高、耐磨性抗粘附性好、化学惰性强的氮化物涂层,特别适合在加工不锈钢、高温合金以及超硬材料的工具表面上应用。对TiAlSiN涂层的制备方法,影响微纳米超硬涂层内部结构的因素,涂层的硬度、摩擦性能、磨损性能、抗氧化性能、切削性能、抗粘附性及涂层的应用等方面进行了综述,同时对微纳米超硬TiAlSiN涂层的发展趋势进行了展望。

基片偏压占空比对多弧离子镀TiAlSiN涂层形貌及力学性能的影响

目的采用多弧离子镀膜技术在硬质合金基体表面沉积TiAlSiN涂层,研究占空比参数对TiAlSiN涂层的表面形貌和力学性能的影响。方法使用扫描电子显微镜对涂层的形貌进行观察,使用自动划痕仪、纳米压痕仪对涂层的力学性能进行检测。结果占空比在10%~70%范围内增加,离子轰击得到加强,涂层表面得到很好的改善,大颗粒与微坑缺陷数量逐渐减少。当占空比增大到90%时,大颗粒和微坑缺陷数量反而增多。结论随着占空比的增加,纳米硬度、弹性模量和涂层结合力均先增大后减小,占空比为50%时,分别达到最大值48.15 GPa、518.24 GPa、50.55 N。