TiC/DLC多层膜的制备及组织形态

本文采用非平衡磁控溅射沉积技术,以甲烷气体为碳源,99.99%Ti为靶材制备了TiC/DLC多层膜。利用X射线衍射仪、电子显微镜、俄歇电子能谱仪和拉曼光谱仪等对TiC/DLC多层膜的组织、结构、形态及成分进行了分析。结果表明:Ti与C结合生成TiC晶相,过渡层中TiC相呈柱状晶生长,多层膜中的TiC分层以岛状模式生长,DLC分层以层状模式生长,TiC/DLC膜层中含有金刚石成分。TiC/DLC的多层结构受沉积参数的影响,当分层的沉积时间少于1 min时,很难获得清晰的层状结构薄膜,膜中Ti的含量随Ti靶电流的增加而增加;过渡层的引入,提高了膜与基体的结合力,并且过渡层的厚度增加,TiC/DLC膜层同基体之间的结合力增强。

DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望

类金刚石(DLC)薄膜是一种良好的固体润滑剂,能够有效延长机械零件、工具的使用寿命。DLC基纳米多层薄膜的设计是耐磨薄膜领域的一项研究热点,薄膜中不同组分层具备不同的物理化学性能组合,能从多个角度(如高温、硬度、润滑)进行设计来提升薄膜力学性能、摩擦学性能以及耐腐蚀性能等。综述了DLC多层薄膜的设计目的与研究进展,以金属/DLC基纳米多层膜、金属氮化物/DLC基纳米多层膜、金属硫化物/DLC基纳米多层膜以及其他DLC基纳米多层膜为主,对早期研究成果及现在的研究方向进行了概述。介绍了以上几种DLC基纳米多层膜的现有设计思路(形成纳米晶/非晶复合结构、软/硬交替沉积,诱导转移膜形成,实现非公度接触)。随后对摩擦机理进行了分析总结:1)层与层间形成特殊过渡层,提高了结合力;2)软/硬的多层交替设计,可以抵抗应力松弛和裂纹偏转;3)高接触应力和催化作用下诱导DLC中的sp3向sp2转化,形成高度有序的转移膜,从而实现非公度接触。最后对DLC基纳米多层膜的未来发展进行了展望。

PBII制备TiN_x/DLC多层膜的结构及摩擦学性能

采用等离子体基离子注入技术在30CrMnSi钢上制备了TiNx/DLC多层膜,通过X射线光电子谱和激光喇曼光谱测试分析了膜的结构特征,TiNx/DLC膜大气下的摩擦性能在球盘式摩擦磨损试验机上进行.结果表明:DLC膜的结构强烈依赖于基板脉冲偏压,-5kV制得的DLC膜具有较多的C-H键结构,因而硬度最低,仅有8 3GPa;而-15kV的DLC膜由于含有较多的sp3键,获得了最高的显微努氏硬度(23 6GPa).DLC膜与GCr15钢球大气下的摩擦因数为0 17左右,其磨损性能由于TiNx过渡层引入而显著提高.

DLC多层膜对9Cr18微动磨损性能的影响

采用等离子体源离子注入 (PSII)技术在 9Cr1 8不锈钢基体上制备类金刚石碳膜 (DLC)多层膜 ,比较了该多层膜与 N注入层对基体微动磨损性能的影响 .结果表明 ,注入 N后 ,改性层内形成了 Cr N、Cr2 N和 Fe3 N等氮化物相 ;PSII技术能够提高 9Cr1 8不锈钢的抗微动磨损性能 ,实验所制备的 DLC多层膜比 N注入层具有更好的抗微动磨损性 .这与最外层

电弧离子镀TiN工艺优化及TiN/TiC多层膜性能

采用电弧离子镀技术制备TiN薄膜,研究了不同氮分压以及基体偏压下薄膜的表面质量、微结构、相组成、硬度以及结合力,优化工艺参数并制备TiN/TiC多层膜,比较了多层膜以及TiC单层膜的硬度以及摩擦性能的差异。结果表明,经过对不同工艺参数下薄膜的形貌结构以及性能比较,确定采用0.6 Pa氮分压以及-100 V基体偏压作为TiN优化工艺参数,在该工艺基础上制备的TiN/TiC多层膜与单层TiC薄膜相比具有更高的硬度以及更低的摩擦系数。

PEO陶瓷层对铝基体上DLC薄膜承载特性的影响

重载作用下,类金刚石（DLC）薄膜直接应用于铝合金等软金属基体上易发生脆性破裂和剥离而导致过早失效。针对这一问题,以PEO陶瓷层作为承载层,采用有限元数值计算方法,对复合涂层在均布接触载荷作用下的应力场进行研究。结果表明：陶瓷层可明显降低DLC膜的表面拉应力和界面剪应力,起到了良好的载荷支撑作用;陶瓷层厚度对涂层表面拉应力、界面及基体内剪应力的分布有显著影响,其中陶瓷层厚度与接触半宽比为0.15～0.30时,涂层可以获得较为合理的表面和界面应力场,从而改善DLC膜在铝合金基体上的摩擦磨损性能。

WC/DLC纳米多层膜微观结构研究

阳极层流型气体离子源与非平衡磁控溅射复合技术沉积制备WC/DLC纳米多层膜,并在膜/基间设计了中间过渡层。用扫描电镜、拉曼光谱仪、光电子能谱仪、X衍射仪、透射电镜、干涉显微镜等,对WC/DLC纳米多层膜的微观形貌结构进行分析研究。结果表明:沉积的WC/DLC膜层表面致密、光滑细腻;多层调制周期在3～4 nm,多层界面不清晰,形成渐变过渡界面。WC/DLC膜中主要是sp2键中掺杂有一定量的sp3键,WC则以纳米晶结构弥散分布在DLC之中。

磁控溅射沉积TiB_2/DLC纳米多层膜的结构及其机械性能研究

采用非平衡磁控溅射系统在P(100)硅片和304不锈钢基底上制备TiB_2/DLC纳米多层膜。利用FESEM、TEM、XRD和AFM观察多层膜的微观结构和表面形貌;利用纳米压痕仪、维氏硬度计和CSM球-盘摩擦磨损试验机考察TiB_2靶电流对多层膜的机械性能和摩擦学性能的影响。结果表明:TiB_2/DLC多层膜具有良好的多层调制结构,多层膜沿TiB_2(101)晶向择优生长;多层膜的表面粗糙度随着TiB_2靶电流增加而增加;多层膜中的大量异质界面能显著提高薄膜的硬度及韧性,而且当TiB_2靶电流为2.0 A时,多层膜的硬度约为单层DLC薄膜的两倍;多层膜中具有硬质TiB_2层和软质DLC层的交替结构,在摩擦过程中,硬层TiB_2起到良好的承载作用,软层DLC起到良好的润滑作用,使多层膜具有比单层DLC薄膜更低的摩擦因数。

化学气相沉积Cr/DLC薄膜对Mg-Gd-Y合金耐蚀性能的改善

Mg-Gd-Y合金作为一种优秀工程材料在石油天然气勘探开发中具有广泛应用。为了改善其在井下工作服役时的耐蚀性能,研究了以Cr为过渡层的类金刚石薄膜(DLC)对Mg-Gd-Y合金耐蚀性能的影响。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法制备了以Cr元素为过渡层的类金刚石薄膜,采用拉曼光谱分析DLC膜层的碳结构类型,采用3.5%(质量分数)NaCl盐雾腐蚀试验、电化学极化测试及接触角测试评价了试样的耐蚀性能,采用SEM分析了试样腐蚀前后的表面形貌及断面形貌。结果表明:由拉曼光谱检测数据计算得出,Cr/DLC薄膜的I_D/I_G值为0.64,说明膜层中sp~3杂化键所占比例较多,且组织致密,因此Cr/DLC薄膜在3.5%NaCl溶液中的腐蚀倾向和腐蚀速率降低。Cr/DLC薄膜有效提高了镁合金基体的耐蚀能力。

CN_x层厚度对DLC/CN_x多层膜结构和力学性能的影响

为了降低DLC膜的内应力,提高其力学性能,采用磁控溅射法在Si(100)基体上交替沉积了不同CN_x层厚度的DLC/CN_x纳米多层膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、纳米压痕仪、涂层附着力划痕仪和球盘式摩擦磨损试验机等分析了多层膜的微观组织、成键结构、力学和摩擦学性能。结果表明:所有DLC/CN_x多层膜均为非晶结构,结构致密,内应力低(约-475^-170 MPa),强化效应显著。随着CN_x层厚度的增大,CN_x膜内sp3键含量降低,DLC/CN_x多层膜的硬度和结合力逐渐降低,磨损率则逐渐上升。多层膜在真空和大气中的摩擦状态平稳,摩擦因数分别为0.16和0.2,CN_x层厚度的影响很小。CN_x层厚度为0.5 nm的多层膜的硬度可达36.9 GPa,结合力为27 N,在两种测试环境中均具有优异的摩擦学性能。

镍磷化学镀温度对活塞杆用45钢表面Ni-P/TiN/DLC三层膜结合及划痕性能的影响

为了提高Ni-P/TiN/类金刚石(DLC)三层膜的结合及划痕性能,选择45钢作为基体材料在不同温度下化学镀Ni-P层,然后利用过滤阴极真空电弧(FCVA)技术在其上依次沉积TiN过渡层及DLC层制备得到了 Ni-P/TiN/DLC三层膜,对三层膜试样采用纳米压痕仪、拉曼光谱仪以及光学显微镜进行了相关性能测试。结果表明:随铢磷化学镀温度的上升,试样的G峰与M峰往更高波段处发生偏移,两者积分强度比AG/AM也随之增加;当辣磷化学镀温度到达500℃时,AG/AM比值迅速增大为3.64,石墨相数量增加,降低了三层膜的脆性;在初期压头刚压入三层膜时,试样的硬度都表现为随压入深度增加而减小的变化规律;在临界载荷F,处形成了半圆形的裂痕,并且沿着和划动方向相反的方向发生弯曲。

磁过滤真空弧源沉积技术制备C/C多层类金刚石膜及其摩擦磨损性能研究

采用磁过滤直流阴极真空弧源沉积技术在S i基体和GCr15基体表面制备了C/C多层DLC膜,通过X射线光电子能谱仪分析薄膜结构特征;用原子力显微镜观察C/C多层DLC膜的表面形貌;采用台阶仪测试薄膜厚度;利用纳米硬度仪测试薄膜纳米硬度;在销盘式摩擦磨损试验机上进行C/C多层DLC膜在大气下的摩擦性能评价,同时比较了单层DLC膜、TiN膜和C/C多层DLC膜的耐磨性能.结果表明:C/C多层DLC膜表面光滑、致密,厚度达0.7μm,硬度高达68 GPa,与S iC球对摩时的摩擦系数为0.10左右,耐磨性明显优于单层DLC膜和TiN膜.

Ti-C→DLC梯度复合膜及其摩擦性能

在GCr15轴承钢基体上制备了Ti－C→DLC梯度复合膜．对其深度成分分布、化学结构及其在试验室环境下对GCr15商品钢球的摩擦性能进行了研究．结果表明，在轴承钢基体与DLC膜之间形成了Ti，C成分呈梯度变化的Ti－C过渡层，C和对以TiC态和游离态两种化学状态存在．Ti—C梯度过渡层对摩擦承载能力起着关键性的影响，Ti－C→DLC梯度复合膜具有高的摩擦持久寿命和稳定的低摩擦系数，其摩擦系数约为0．16左右．

Cr/WC/DLC薄膜的多环境摩擦学性能

采用磁控溅射法,在304不锈钢上制备Cr/WC/DLC多层梯度过渡类金刚石薄膜,利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、纳米压痕仪、划痕测试仪等分析薄膜的微观结构和力学性能,利用UMT-3多功能摩擦磨损试验机考察其在大气、去离子水、发动机油3种环境下的摩擦学性能。结果表明:该薄膜的多层梯度设计使其膜基间结合力得到了有效改善,且硬度高达32.6GPa,在3种环境下均具有优异的摩擦学性能。在大气环境下,薄膜具有较低的平均摩擦因数,为0.094;但具有3种环境下最大的磨损率,为7.86×10-8 mm3(N·m)-1;在去离子水环境下,薄膜的平均摩擦因数较高,为0.124;而其磨损率较低,为5.26×10-8 mm3(N·m)-1;在发动机油环境下,固-油复合润滑效应使薄膜具有更加优异的摩擦学性能,其平均摩擦因数和磨损率均为3种环境下的最小值,分别为0.065和4.44×10-8 mm3(N·m)-1。

磁过滤多弧离子镀C/C多层膜在模拟体液中的微磨粒磨损行为

采用磁过滤直流阴极真空弧源沉积技术在Ti6Al4V表面制备C/C多层DLC膜,利用纳米压痕划痕仪测试薄膜的纳米硬度和膜-基结合强度,采用微磨粒磨损试验机对C/C多层DLC膜在模拟体液环境中的磨损性能进行评价,并与Ti6Al4V的耐磨性能进行对比.结果表明:C/C多层DLC膜硬度达54.82 GPa,弹性模量和划痕临界载荷分别为342.27 GPa和0.52 N;在模拟体液环境中DLC膜的耐磨性能显著优于Ti6Al4V合金,DLC膜的磨损机制主要包括二体磨损及混合磨损;随着料浆浓度的增加,DLC膜的磨损机制从二体磨损向混合磨损过渡.

弧流对Ti—Si—C膜层结构与性能的影响

电弧离子镀沉积膜层具有放电温度高、离化率高和沉积速率快等特点,可以在较低温度下促进Si—C成键,是获得含Si—C键膜层的一种经济实惠的方法。本文使用Ti—Si合金靶,在Ar和C2H2气体环境下,在铝合金衬底上制备了Ti—Si—C膜层,并分析和研究了不同弧流下沉积膜层的相组成、磨损和腐蚀性能。结果显示,不同弧流下沉积的膜层是由B1型Ti C相、立方结构的Si C相和金属Ti相组成的复合结构;大弧流由于放电温度高,有利于膜层中Si—C键的形成.弧流增加,靶材蒸发速率加快,沉积膜层的厚度增加,同时,由于靶材附近单位时间内气化和离化的Si和Ti数量增加,沉积膜层中Si和Ti含量和增加而C含量降低.弧流增加,膜层中碳化物总含量减少,造成膜层摩擦系数逐渐增加而耐磨性降低,但膜层的耐腐蚀性能增加.适当弧流下的沉积膜层可获得优异的磨损和腐蚀综合性能.

磁控溅射电流对刀具表面Al/Cr-DLC膜组织和力学性能的影响

为获得膜基结合力更高的刀具,选择Al/Cr金属作为过渡层,分析了不同溅射电流下Al/Cr-DLC膜的组织和力学性能,膜厚都在1.50~1.70μm左右。结果显示:随着溅射电流增加,过渡层厚度变化不明显;增大溅射电流后,膜层中的Cr、Al比例也随之增加,过渡层可以促进元素更快扩散;各膜层拉曼光谱都在1000~2000 cm^(-1)区间形成了非晶碳的非对称峰。随着溅射电流的增大,Cr、Al元素在膜中的含量也明显提高。增大溅射电流后,膜层中形成了更高比例的Al和Cr,而I_(D)/I_(G)的比值先增大再减小,最大比值出现于3.0 A电流下。逐渐增大溅射电流的过程中,残余应力先减小再升高,最低残余应力出现于溅射电流为3.0 A下。当膜层中存在过渡层时,内应力发生了显著降低。当溅射电流由1.0A升高至3.0 A时,膜层的硬度和弹性模量都出现了降低。

柱弧离子镀制备Ti/TiN/Ti(N,C)/TiC黑色硬质膜

利用自制的柱弧离子镀膜机,在不同硬度基体上制备了Ti/TiN/Ti(N,C)/TiC多层复合膜。膜呈深黑色,反射率小于14%,亮度值L*小于43,沉积速率约为0.78μm/h,表面分布较多液滴缺陷。膜的力学性能测试受基体硬度和膜层厚度影响较大,基体越硬、膜层越厚,膜的硬度以及与基体的结合力测试结果越大。YW2硬质合金基体上制备0.82μm的黑色硬质膜显微硬度Hv(25g)=3229,结合力为26.70 N。该设备和工艺已成功应用于工业生产。

PBII固体润滑膜的结构及真空摩擦性能

利用PBII技术制备了TiN/DLC和TiN/Ag固体润滑膜 ,研究了膜层的成分结构及真空条件下的摩擦性能 .结果表明 :PBII有效地实现了表层润滑膜与基体之间成分和结构的过渡 ;真空条件下 ,接触面光滑(Ra <0 .1μm)的DLC与Ag之间的摩擦系数为 0 .0 9左右 ,DLC膜之间的摩擦系数也在 0 .0 9附近 ,且TiN/DLC润滑膜互为摩擦副的耐磨性能高于TiN/DLC和TiN/Ag润滑膜的配对 ;接触面较为粗糙 (Ra >0 .8μm) 的摩擦副分别配以TiN/DLC和TiN/Ag润滑膜 ,可获得良好的真空运转寿命 .