脉冲偏压占空比对TiCrN薄膜微观结构和性能的影响规律

随着先进制造领域对高速钢材料切削性能和加工性能的要求越来越高,迫切需要利用氮化物薄膜来提高基体材料的硬度和耐磨性等综合性能,延长高速钢材料的使用寿命。通过TiCrN薄膜提升高速钢材料的使役性能,研究脉冲偏压占空比对TiCrN薄膜微观结构和性能的影响规律,实现薄膜沉积工艺的优化。采用电弧离子镀方法,通过改变脉冲偏压占空比在M2高速钢基体和单晶硅片上沉积TiCrN薄膜。研究发现,脉冲偏压占空比的增大有助于减少膜层表面大颗粒数量,改善膜层表面质量;占空比从10%增加到60%,TiCrN薄膜厚度先增大后减小,30%占空比时,TiCrN薄膜的厚度达到最大值623.8 nm,60%占空比时,TiCrN薄膜的厚度达到最小值517.4 nm。当脉冲偏压占空比为10%时,Cr元素含量为33.9 at.%,晶粒尺寸达到最小值12.692 nm,纳米硬度和弹性模量分别为29.22 GPa和407.42 GPa。当脉冲偏压占空比为30%时,Cr元素含量达到最小值33.07 at.%,此时TiCrN薄膜晶粒尺寸达到最大值15.484 nm,纳米硬度达到最小值25.38 GPa,稳定摩擦因数达到最大值0.9。所制备的TiCrN薄膜均以(220)晶面为择优取向,晶粒尺寸在12.692~15.484 nm,纳米硬度都在25 GPa以上,是M2高速钢的2.8倍以上。在脉冲偏压占空比为20%时,TiCrN薄膜摩擦因数最小为0.68,磨痕宽度为0.63 mm,自腐蚀电位达到最大值-0.330 V(vs SCE),自腐蚀电流密度达到最小值0.255μA/cm~2,腐蚀速率最低,耐腐蚀性能最强。与M2高速钢基体相比,Ti CrN薄膜的硬度、耐腐蚀和摩擦磨损性能都显著提升,Cr元素和离子轰击作用是影响TiCrN薄膜性能的主要因素。研究结果为硬质薄膜工艺优化提供了一定的试验依据,TiCrN薄膜在刀具材料性能提升方面有较好的应用前景。

多弧离子镀沉积TiCrN薄膜在中性盐雾环境下的腐蚀行为

采用多弧离子镀技术,分别在15-5PH不锈钢和65Mn弹簧钢基体表面沉积制备TiCrN薄膜,通过物相组成分析、宏微观腐蚀形貌观察及腐蚀产物分析等方法研究了TiCrN薄膜在5 wt.%NaCl中性盐雾环境下的腐蚀行为。结果表明:TiCrN薄膜主要由TiN相、Cr_(2)N相、TiCrN相、Ti相4种物相组成。15-5PH不锈钢和65Mn弹簧钢试样经中性盐雾试验后,薄膜的腐蚀形式主要为点状腐蚀,基体的腐蚀形式主要为均匀腐蚀。相对于金属基体,TiCrN薄膜中Ti、Cr元素的添加能够抑制TiN柱状晶的长大,使膜层整体结构致密,表面缺陷数量减少,基体耐腐蚀性能得到大幅提升。

15-5PH不锈钢表面沉积TiCrN薄膜的耐环境腐蚀性能研究

为了进一步解决飞行器金属结构材料面临的环境腐蚀问题,采用多弧离子镀技术在15-5PH不锈钢表面沉积TiCrN薄膜,通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对样品的物相组成和腐蚀形貌进行表征,利用中性盐雾、酸性盐雾、海洋大气环境暴晒和温湿度环境试验对TiCrN薄膜的耐环境腐蚀性能进行研究。结果表明:15-5PH试样经中性盐雾、酸性干湿盐雾、海洋大气暴露环境腐蚀后,膜层的腐蚀形式为点状腐蚀,基体的腐蚀形式为均匀腐蚀。相比中性盐雾和海洋大气暴露环境,酸性盐雾试验中氢离子与氯离子具有显著的协同效应,从而对TiCrN薄膜表现出更强的腐蚀性。温湿度环境试验考核后,TiCrN膜层表面平整光滑,无裂纹、孔洞、凸起等缺陷。15-5PH不锈钢表面沉积TiCrN薄膜具有一定的耐环境腐蚀能力,满足相关标准规定的温湿度环境试验要求。

调制周期对TiCrN/WN多层膜结构与力学性能的影响

为了研究调制周期对TiCrN/WN多层薄膜结构与力学性能的影响,采用超高真空射频磁控溅射系统在Si(100)基底表面制备了一系列TiCrN/WN多层薄膜,利用X线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪和表面轮廓仪等分析TiCrN/WN多层膜的结构特征以及硬度、应力和弹性模量等机械性能.结果表明:TiCrN/WN多层膜具有周期性良好的调制结构,调制界面清晰.调制周期的改变对TiCrN/WN多层膜的结构和机械性能影响较大.当调制周期Λ=25nm时,多层膜体系表现出较强的W2N(111)和TiCrN(111)择优取向.此时,多层膜的硬度和弹性模量均达到最大值,分别为40.84GPa和408.85GPa.

关于(Ti,Cr)N膜摩擦学性能的研究

为了研究多弧离子镀技术中所用靶材与薄膜成分比例的关系,并对比不同成分比例的(Ti,Cr)N膜的摩擦学性能,设计制备了纯Ti靶、纯Cr靶及钛铬比分别为9:1、4:1和1:1的钛铬合金靶共5种靶材进行镀膜试验。利用扫描电子显微镜观察薄膜微观形貌,利用X射线能谱分析仪对微区成分进行定性和半定量分析,利用X射线衍射分析薄膜结构,通过摩擦磨损试验测试薄膜的耐磨性,最终以磨痕宽度、磨痕深度和磨痕长度来计算磨损体积,以磨损体积表征不同膜的耐磨性能。测试结果表明,合金靶制备的薄膜中成分比例并不与靶材中的成分配比一致,但均具有TiCrN(200)择优取向。纯靶制备的薄膜表面最为细腻,TiCrN膜的粗糙度随Cr含量的提高而降低。TiCrN膜的硬度和耐磨性明显优于纯靶制备的薄膜,在靶材配比Ti:Cr=4:1时制备的Ti0.3Cr0.23N薄膜硬度最高(HV0.053274.9)、耐磨性能最好。以合金靶制备复合薄膜时,薄膜中的成分比例受单一金属离化率的影响较大,受靶材中金属配比的影响较小;在薄膜中添加硬质元素可以改善膜的质量、提高耐磨性能。