TiN/ZrN抗冲蚀多层膜制备及其性能研究

采用多靶位真空阴极电弧离子镀技术在1Cr17Ni2不锈钢表面沉积抗冲蚀TiN/ZrN多层膜,利用扫描电镜、显微硬度计、划痕仪、冲刷试验机和中性盐雾试验机等对多层膜的结构及性能进行研究.结果表明:所制备的TiN/ZrN多层膜厚度为5.24μm,膜层与基体结合力为55N,显微硬度为HK2026.6;多层膜对不锈钢基体起到了良好的防护作用,耐90°攻角冲刷砂量为50g,耐中性盐雾腐蚀96h无腐蚀,336h抗腐蚀性能大于9级.

真空阴极离子镀法制备Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜

过去,在不锈钢上沉积10μm以上多元多层软硬交替Ti/TiN/Zr/ZrN厚膜用以提高材料耐腐蚀性能的报道不多。采用阴极电弧离子镀结合脉冲偏压的方法制备了厚度达15μm的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜。运用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、显微硬度计、划痕仪等考察了多层膜的形貌、厚度、相组成、硬度以及膜/基结合力,并利用电化学方法评价了基体、单层TiN薄膜以及多层膜的电化学腐蚀性能。结果表明:制备的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜界面明晰、结构致密、晶粒细小;膜/基结合力大于70 N,显微硬度达28 GPa;多层膜比单层TiN膜在提高1Cr11Ni2W2MoV基体的抗腐蚀能力方面具有更显著的作用。

调制结构对TiN/ZrN纳米多层膜的表面形貌、生长行为及力学性能的影响

利用射频反应磁控溅射方法,设计并制备了一系列不同调制周期的TiN/ZrN纳米多层膜.利用原子力显微镜、X射线衍射仪和纳米压痕仪对多层膜的表面形貌、微观结构和力学性能进行了系统表征.研究结果表明:调制结构影响着薄膜的择优生长取向、沉积速率和表面形貌;在调制周期为7nm～26nm的范围内,随调制周期的增加,TiN/ZrN多层膜的织构取向有从(100)面向(111)面转变的趋势;TiN和ZrN层的沉积速率随调制周期的变化而变化.在调制周期为15nm左右时,表面粗糙度最小,减小和增加调制周期均导致粗糙度的增加.力学性能分析表明:TiN/ZrN多层膜的硬度和弹性模量均高于单一TiN和ZrN的硬度和弹性模量,且随着调制周期的减小有逐渐增加的趋势.此外,根据调制结构和力学性能的分析结果,讨论了TiN/ZrN纳米多层膜的硬化机制.

钛合金及其表面沉积Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜的冲蚀行为

采用多弧离子镀技术在TC11钛合金表面制备了厚度为18.7μm的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜,用45μm白刚玉通过微喷砂试验机评价TC11钛合金及Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜在30°和90°攻角下的抗冲蚀性能,并分析其冲蚀机理。结果表明:30°攻角下,冲蚀砂量为70g时,Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜被冲破,此时该多层膜的冲蚀坑深度为21.88μm,TC11钛合金基材为269.9μm。90°攻角下,冲蚀砂量为20g时,Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜被冲破,此时该多层膜的冲蚀坑深度为8.95μm,TC11钛合金基材为46.96μm。30°攻角下,钛合金的冲蚀以微切削为主,多层膜以微切削和微断裂为主。在90°攻角下,钛合金的冲蚀以点坑冲蚀为主,多层膜以裂纹萌生扩展和点坑冲蚀的混合冲蚀为主。

调制周期对Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜性能的影响

采用真空阴极电弧沉积技术,在TC11钛合金表面沉积同等厚度的三种不同调制周期Ti-Ti N-Zr-Zr N软硬交替多层膜。用扫描电镜、显微硬度计、结合力划痕仪和砂粒冲刷试验仪分析测试了多层膜的厚度、表面及截面形貌、硬度、膜/基结合力和抗砂粒冲蚀磨损性能等;重点研究了调制周期的改变对多层膜性能的影响。结果表明:随着周期数的增加,单一调制周期变薄,膜层中金属"液滴"颗粒等缺陷减少,同时也增加了大量的层间界面;层界面之间反复形核,晶粒细化,有利于多层膜表面光洁度、致密度、硬度、结合力和抗砂粒冲蚀能力的改善。

Ar/N_2气体比例对ZrN/WTiN纳米多层膜的影响

选择ZrN和WTi N作为个体层材料,利用超高真空射频磁控溅射系统制备ZrN,WTi N和一系列的ZrN/WTi N纳米多层薄膜.通过X射线衍射仪(XRD)和纳米力学测试系统分析制备参数中Ar/N2气体比例对多层膜结构与机械性能的影响.结果表明:多层膜的纳米硬度值普遍高于2种个体材料混合相的硬度值;当FAr∶FN2=5时,ZrN/WTi N纳米多层薄膜出现了ZrN(111),Ti N(111)衍射峰和非晶态,多层膜体系的硬度、应力和弹性模量均达到最佳效果.

Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜对1Cr17Ni2不锈钢疲劳性能的影响

采用真空阴极电弧沉积技术在1Cr17Ni2马氏体型不锈钢表面沉积Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜。研究对比了在室温下膜层试样与基体试样的旋转弯曲疲劳强度、疲劳寿命和疲劳断裂机理。结果表明:在不锈钢基体上沉积厚度为11.7μm,硬度为3 220HV0.025,膜/基结合力为56N的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜后,其疲劳性能显著提高,膜层试样较基体试样的疲劳极限提高了约11.2%,当应力水平在540～650 MPa变化时,疲劳寿命增量变化范围为108%～246%;裂纹均起源于表面,在低应力水平下只有一个裂纹源,而高应力水平下有多个裂纹源;疲劳性能的提高主要是由于膜层能够弥补基体表面一定的缺陷,同时软硬交替的膜层结构有较强的抗裂纹扩展能力。

Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜对钛合金疲劳性能的影响

采用真空阴极电弧沉积技术在TC11钛合金基体上沉积约10μm厚的Ti/Ti N/Zr/Zr N多层膜,通过对比镀膜前后试样的屈服强度、抗拉强度、疲劳强度、疲劳寿命,以及断口形貌,研究沉积Ti/Ti N/Zr/Zr N多层膜对基体疲劳性能的影响,探讨疲劳断裂机理。结果表明:多层膜对TC11钛合金基体材料的屈服强度和抗拉强度影响不大,但由于膜层硬而脆而降低了基体材料的收缩率和延伸率;多层膜提高基体材料的疲劳极限;低应力下,裂纹源在多层膜表面萌生,并向内部扩展,在多层结构的膜层界面处受到阻碍,发生偏转,从而提高基体疲劳寿命;高应力下,膜层容易破裂,裂纹源增多,降低基体疲劳寿命;应力水平在520 MPa到650 MPa范围内,疲劳寿命增量从+40.82%降到-36.88%。

TiN/Ti多层膜调制比对摩擦磨损行为影响的研究

考察了TiN/Ti多层膜调制比对其摩擦磨损行为的影响.采用磁过滤阴极弧沉积的方法制备了具有不同调制比的TiN/Ti多层膜,用扫描电镜和透射电镜对其层状结构及子层结构进行了观察和分析.用纳米压痕和SRV摩擦磨损试验的方法,对多层膜进行了纳米硬度和弹性模量测试以及摩擦磨损实验.结果表明,所制备的TiN/Ti多层膜层状结构清晰,与基底结合良好,调制比对多层膜的硬度和磨损特性影响较大,而对摩擦系数的影响却不明显.结合实验结果,讨论了硬度与弹性模量的比值(H/E值)对TiN/Ti多层膜耐磨性的影响.

调制周期对CrAlN/ZrN纳米多层膜韧性的影响

目的研究调制周期对纳米多层膜性能的影响。方法采用磁控溅射方法制备了CrAlN与ZrN的固定厚度比为2.6,不同调制周期(Λ为6,8,10,20 nm)的CrAlN/ZrN纳米多层膜。利用场发射扫描电镜(FESEM)表征薄膜的形貌、结构。用Dektak150型台阶仪测薄膜表面粗糙度。用Agilent Technologies G200纳米压痕仪检测涂层的硬度和弹性模量。用划痕仪测薄膜/基材的结合力,同时,引入抗裂纹扩展系数(CPR)表征纳米多层膜的韧性。结果 CrAlN/ZrN纳米多层膜断面皆为穿晶柱状结构,调制周期为20 nm时,多层膜层与层之间的界面清晰;多层膜表面呈致密的花椰菜状,厚度均约为2μm。调制周期为8 nm时,硬度为20.4 GPa,进一步增大调制周期,硬度下降。调制周期为8 nm的多层膜临界载荷L_(c2)为18 N,CPR值为73.2,L_(c2)与CPR值均高于其他调制周期的多层膜。在临界载荷L_(c2)处,裂纹扩展导致薄膜发生了严重的片状剥落,露出了亮白的热轧钢基底,薄膜失去了保护作用。结论实验表明,在多层膜厚度、调制比不变的条件下,改变调制周期能够改变多层膜的韧性。随着调制周期的增大,韧性呈先上升、后下降的趋势。调制周期为8 nm时,纳米多层膜的硬度最高,韧性最好,综合性能良好。

Ti(C,N)复合膜和TiN/Ti(C,N)多层膜组织和显微硬度

采用非平衡反应磁控溅射的方法在Si(100)基片上沉积Ti(C,N)复合膜和不同调制周期、调制比的TiN/Ti(C,N)纳米多层薄膜。薄膜的微观结构和力学性能采用X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计进行表征。结果表明,Ti(C,N)复合膜的微观结构和力学性能与掺入C的含量有关;TiN/Ti(C,N)纳米多层膜的微观结构和力学性能与调制周期和调制比有关,其显微硬度在一定的调制周期和调制比范围内出现了超硬现象。Ti(C,N)、TiN/Ti(C,N)均为δ-NaCl面心立方结构;Ti(C,N)复合膜显微硬度提高是因为固溶强化,TiN/Ti(C,N)纳米多层膜硬度的提高主要是共格外延生长在界面处产生的交变应力场。

电弧离子镀多层Ti/TiN厚膜组织和力学性能研究

采用电弧离子镀技术在钛合金(Ti6Al4V)上制备了Ti/TiN/┄/Ti/TiN多层厚膜,膜层厚度为21.6μm～25.6μm,对不同Ti/TiN调制周期的多层膜物相、形貌、附着力和硬度进行了分析。结果表明:随膜层中Ti比例增加,膜层附着力增加,但膜层维氏硬度变化不大。

TiN/Ti复合膜与多层膜对Ti811合金高温摩擦性能及微动疲劳抗力的影响

在Ti811钛合金表面分别利用真空阴极电弧沉积技术和磁控溅射技术制备了TiN/Ti复合膜,利用磁控溅射技术制备了TiN/Ti多层膜,测试了膜层的剖面成分分布、膜基结合强度、膜层显微硬度和韧性,对比研究了不同结构膜层对钛合金基材摩擦学性能和高温微动疲劳抗力的影响.结果表明:TiN/Ti复合膜和多层膜均有效提高了钛合金表面的硬度和耐磨性能;电弧沉积TiN/Ti膜层对钛合金高温微动疲劳抗力的改善程度高于磁控溅射TiN/Ti膜层,原因归于电弧沉积TiN/Ti膜层强韧性好、结合强度高,且膜层中的钛颗粒有良好的减摩润滑作用;磁控溅射TiN/Ti多层膜对钛合金高温微动疲劳抗力的改善程度高于磁控溅射TiN/Ti复合膜层,原因是前者韧性高、减摩润滑作用显著.

电弧离子镀方法制备的Ti/TiN多层膜的结构与耐腐蚀性能

采用电弧离子镀技术,通过周期性变换环境气氛,在7075Al合金上制备了Ti/TiN多层膜,并研究调制周期对多层膜的结构组成和腐蚀性能的影响。结果表明:多层膜与铝合金衬底界面结合较好,基本没有孔洞等缺陷。多层膜具有明显的层状特征,层间界面清晰。多层膜中TiN与单层中TiN薄膜有着相同的晶体结构,并存在(111)择优取向,每个调制周期内的TiN层都呈柱状生长。随着调制周期变小,多层膜阳极极化曲线的腐蚀电位增加,交流阻抗谱的阻抗值增大,容抗弧的半径也增大,即膜层的耐腐蚀性增加。多层膜调制周期的减小使得薄膜中含有的层界面增多,而贯穿至衬底表面的针孔等缺陷的数量将减少,这样,腐蚀性介质经过针孔等缺陷与衬底接触的机会变少,这将使薄膜的抗腐蚀能力得到改善。

磁控溅射TiN/Cu-Zn纳米多层膜腐蚀和抗菌性能研究

采用双靶磁控溅射的方法在不锈钢表面沉积了TiN／Cu-Zn纳米多层膜，研究了多层结构对膜层耐腐蚀性能和抗菌性能的影响，以及表面腐蚀与抗菌的关系。结果表明，Cu-Zn层比较薄时，膜层的耐腐蚀性能比较好，随着Cu-Zn层厚度的增加耐腐蚀性能显著下降。Cu-Zn层薄时，膜层抗菌性能对TLN层厚度较为敏感；而当Cu-Zn层较厚时，抗菌性能对TiN层厚度不敏感，均具有较好的抗菌性能。存在合适的多层结构，如TIN层厚度为3．3～5nm左右，Cu-Zn层厚度约为4nm时，使得膜层具有良好的抗菌性能和耐腐蚀性能。

TiN/Si_3N_4纳米多层膜的生长结构与超硬效应

采用磁控溅射方法制备了一系列不同Si3N4和TiN层厚的TiN/Si3N4纳米多层膜,采用X射线衍射、高分辨电子显微分析和微力学探针表征了薄膜的微结构和力学性能,研究了Si3N4和TiN层厚对多层膜生长结构和力学性能的影响。结果表明:当Si3N4层厚小于0.7 nm时,原为非晶的Si3N4在TiN的模板作用下晶化并与之形成共格外延生长的柱状晶,使TiN/Si3N4多层膜产生硬度和弹性模量异常升高的超硬效应。最高硬度和弹性模量分别为34.0 GPa和353.5 GPa。当其厚度大于1.3 nm时,Si3N4呈现非晶态,阻断了TiN的外延生长,多层膜的力学性能明显降低。此外,TiN层厚的增加也会对TiN/Si3N4多层膜的生长结构和力学性能造成影响,随着TiN层厚的增加,多层膜的硬度和弹性模量缓慢下降。

离子束流和基底温度对ZrN/TiAlN纳米多层膜性能的影响

本文利用高真空离子束辅助沉积系统(IBAD),在室温下制备了ZrN、TiAlN和一系列ZrN/TiAlN纳米多层膜,利用XRD、纳米力学测试系统和多功能材料表面性能实验仪,分析了束流和基底温度对薄膜的微结构和机械性能的影响。结果表明:大部分多层膜的纳米硬度与弹性模量值都高于两种个体材料硬度的平均值,当辅助束流为5mA时,多层膜硬度达到30.6GPa。基底温度的升高,会显著降低薄膜的残余应力,但对薄膜的硬度,摩擦系数没有明显影响。

偏压对铀表面多弧离子镀Ti/TiN多层膜的结构及抗腐蚀性能影响研究

在不同偏压下,利用多弧离子镀技术在U和Si基体上制备了Ti/TiN多层薄膜。利用X射线衍射仪和扫描电镜对多层膜的组织结构和薄膜界面形貌进行了分析。研究表明:脉冲偏压不但影响多层膜物相各衍射峰的强度,还诱导新相Ti2N的出现。制备的多层膜呈"犬牙"交错的层状、柱状结构生长。随脉冲偏压的增加,柱状晶结构细化,薄膜变得更加致密。通过50μg/g Cl-溶液腐蚀研究表明:Ti/TiN多层膜提高抗腐蚀性能源于层状失效,使得腐蚀介质到达基体更加困难,抗腐蚀性能优良。

多弧离子镀与磁控溅射共沉积TiN/TiCN多层膜的高温抗氧化性能

TiN/TiCN多层膜的高温抗氧化性研究对于扩大其应用领域具有重要作用,但目前鲜见相关报道。采用多弧离子镀与磁控溅射技术以不同调制周期在304不锈钢表面共沉积TiN/TiCN多层膜。采用XRD、XPS、倒置显微镜及高温氧化试验研究了多层膜的高温抗氧化行为。结果表明:TiN/TiCN多层膜表面光滑平整、均匀致密,薄膜主要为具有Ti-(C,N)键的fcc-TiN结构;随着调制周期的减小,TiN/TiCN多层膜生长取向发生转变,且具有(111)晶面生长织构;随着氧化温度的升高,多层膜的显微硬度逐渐降低,氧化增重速率不断增大,且在700℃之后变化速率较快,薄膜的开始氧化温度约为750℃;随着调制周期的减小,多层膜TiN与TiCN界面层数量增多,促使晶粒细化,提高了其致密性,还隔断了缺陷贯穿薄膜的连续性,显著降低了薄膜的孔隙率,致使O原子扩散困难,增强了薄膜的高温抗氧化性能。

TiN/Ti多层膜韧性对摩擦学性能的影响

考察了TiN/Ti多层膜韧性对其摩擦学性能的影响。采用磁过滤阴极弧沉积的方法制备了具有不同Ti子层厚度的TiN/Ti多层膜。用透射电镜对其层状结构及子层厚度进行了观察和分析,分别用Rockwell硬度计和UMT摩擦磨损试验机,进行了压痕测试和摩擦磨损实验。结果表明,TiN/Ti多层膜中Ti子层的加入显著提高了多层膜的韧性,相对TiN单层薄膜,当载荷较大时,多层膜的耐磨性有明显的改善。结合实验结果,讨论了TiN/Ti多层膜韧性对其耐磨性的影响。