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。

工艺参数对磁控溅射ZrN膜耐腐蚀性能的影响

为寻求真空磁控溅射ZrN膜耐蚀性与其溅射工艺间的规律,在1Cr18Ni9Ti不锈钢表面以不同的工艺参数真空磁控溅射了系列ZrN膜。通过中性盐雾试验确定了不同工艺参数所得ZrN膜的耐蚀性等级。结果表明:ZrN膜耐蚀性随N2流量的增加先增加,但超过15 mL/min后,膜的耐蚀性反而下降;ZrN膜耐蚀性随反应温度升高而增强;ZrN膜的耐蚀性随反应时间的增加越来越好,但超过15 min后,膜的耐蚀性不再增强;以ZrN膜的耐蚀性为依据,最佳溅射工艺参数为N2流量15 mL/min,反应时间15 min,反应温度200℃。

ZrN系硬质膜的研究进程与展望

以ZrN硬质薄膜为基础,通过添加金属元素,可以形成多组元硬质薄膜体系。从制备方法、晶体结构、硬度、耐磨性、抗氧化性、耐腐蚀性、电气性能等方面对ZrN系硬质薄膜的发展现状进行了讨论和分析,给出了比较和评述。在此基础上,提出了ZrN系硬质薄膜今后的研究和应用发展方向。

浸渍石墨在陶瓷摩擦副下的摩擦腐蚀行为研究

研究不同介质环境中浸渍石墨的摩擦腐蚀特性,采用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜分别表征了表面磨痕形貌、磨痕轮廓和磨损体积,通过分析在纯水与海水中的开路电位、极化曲线与电化学阻抗图及其相关参数,对浸渍石墨与2种陶瓷对偶球的摩擦磨损情况与机理进行评估分析.结果表明:浸渍石墨与陶瓷球Si_(3)N_(4)相对摩擦时自腐蚀电流密度更低,容抗弧度与相位角较大,极化电阻值更高,具有更好的耐腐蚀性能和耐磨性.随着载荷的增大,开路电位负移耐腐蚀性增强.纯水中石墨磨损表面存在明显的犁沟现象,以摩擦磨损为主.海水中腐蚀产物与磨屑混合在接触表面形成转移膜,表现较为光滑.摩擦过程中磨损体积、摩擦耗散能与载荷呈正相关性,而磨损率与载荷呈负相关性.海水中黏着现象较为明显,伴有磨粒磨损和轻微的氧化磨损.纯水中接触区以磨粒磨损为主,伴有轻微的黏着磨损和疲劳磨损.

载荷对非晶碳基薄膜腐蚀磨损性能的影响

腐蚀环境条件下的动力件经受腐蚀和磨损的双重损伤,载荷的往复作用使得金属表面的钝化层失去作用而加速损伤,非晶碳基薄膜在腐蚀和摩擦领域展现出优异的防护性能。为了研究载荷对非晶碳基薄膜腐蚀磨损性能的影响,明确各个损失分量随载荷的变化关系,采用磁控溅射在304不锈钢表面制备了a-C薄膜、a-C:Cr薄膜和a-C:Si薄膜,通过动电位极化测试3种薄膜在5.0 mol/L HNO_(3)条件下的静态腐蚀行为,同时结合3种薄膜在去离子水和5.0 mol/L HNO_(3)环境下的不同载荷作用的磨损量,分析研究了载荷对腐蚀摩擦过程中各个分量的影响。结果表明:Si掺杂使a-C薄膜的腐蚀电流密度从1.11×10^(-6 )A/cm^(2)降低至3.96×10^(-7 )A/cm^(2),Cr掺杂后腐蚀电流密度略微降低;随着载荷的增加3种薄膜的腐蚀损伤分量降低,机械磨损分量相应增加,对应的腐蚀-磨损交互作用对薄膜的损伤作用减弱。

基于磁控溅射的氮化物薄膜摩擦与腐蚀性能研究

通过磁控溅射法在Ti45Nb合金表面溅射了TiN、ZrN和ZrTiN无毒陶瓷薄膜。采用扫描电镜、X射线衍射对样品的微观以及相结构进行了表征。样品的摩擦磨损性能通过往复式摩擦试验机进行评价,而其腐蚀性能通过Tafel极化和电化学阻抗谱测量来评价。结果表明:薄膜的结构都为面心立方结构,且都沿(200)方向择优生长。相比于TiN和ZrN薄膜,ZrTiN薄膜为合金化复合薄膜,改变了TiN、ZrN薄膜柱状晶生长模式,由柱状晶生长转变为小单晶聚合生长为多晶,形成更加致密的薄膜。此外,与Ti45Nb合金相比,不同氮化物薄膜改性的Ti45Nb合金的磨损率降低了两个数量级,其中ZrTiN薄膜具有最低的磨损率。在模拟体液中,ZrTiN薄膜改性的Ti45Nb合金的耐腐蚀性得到了一定的提高。

钽掺杂对多层Ta-DLC薄膜摩擦及腐蚀行为的影响

目的解决316L不锈钢在苛刻海洋环境中易磨损、易腐蚀的问题。方法采用中频磁控溅射技术在316L不锈钢上沉积了Ta/TaN/TaCN/Ta-DLC薄膜。通过扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱、X射线衍射、纳米压痕、往复摩擦磨损试验和电化学测试等手段,重点研究了DLC膜层中Ta元素掺杂含量对薄膜结构、组成成分、力学性能、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响规律。结果随着Ta元素含量(原子数分数)从2.04%增到4.16%,薄膜中的sp^(3)键含量呈现先升高后降低的趋势,当Ta原子数分数为3.60%时,薄膜中sp3键含量最高,且薄膜的硬度及弹性模量达到最大,分别为7.01 GPa和157.87 GPa。随着Ta元素含量的增加,薄膜的平均摩擦因数逐渐减小,在4.16%(原子数分数)时达到最小0.21。Ta元素含量对薄膜的结合力影响较小,且所有薄膜结合力总体在10 N左右。当Ta原子数分数为3.60%时,薄膜的腐蚀电流密度及钝化电流密度最小,分别为0.006μA/cm^(2)和0.63μA/cm^(2),比其他薄膜的低1~2个数量级,并且薄膜电阻及电荷转移电阻最大,展现出最为优异的耐腐蚀性能。结论Ta元素的掺杂提高了薄膜的耐摩擦性能,且适当的Ta元素掺杂能够提高Ta/TaN/TaCN/Ta-DLC薄膜的耐磨耐蚀性能。

薄膜缺陷研究进展综述

在实际镀膜过程中,镀膜腔室内不可避免地会含有微米级的颗粒、灰尘,除此之外,衬底表面在加工过程中产生的缺陷、污染,即使经过清洗处理,往往也不能完全消除,甚至会带来新的缺陷、污染。阴极靶中的杂质、气泡以及微弧放电同样会产生颗粒物,这些因素将直接导致薄膜在生长过程形成缺陷。详细综述了薄膜缺陷的形成原因、分类以及对不同应用的影响。根据形成原因、微观形貌等,可将缺陷大致分为薄片形结构、凹坑结构、结节状球形滴锥结构、针孔/气孔结构等四种类型。不同类型缺陷在薄膜中的占比受环境因素变化而改变,在空间分布也有所不同。缺陷破坏了薄膜的完整性,对薄膜性能产生较大影响,如降低了硬质薄膜的耐摩擦性,腐蚀介质可通过缺陷达到基材表面,导致耐腐蚀薄膜丧失保护功能。对于超导薄膜,当缺陷尺寸远大于copper电子对相干长度时,剩余电阻大大增加。最后,总结了气压、偏压、电压、沉积时间、衬底安装角度、镀膜室屏蔽结构等对缺陷密度的影响,也说明通过优化以上参数与结构可以降低缺陷密度,改善薄膜质量。

盐雾腐蚀条件下Ti合金表面功能薄膜的摩擦磨损性能

目的研究Ti6Al4V合金、铬掺杂类金刚石(Cr-DLC)薄膜、钨掺杂类金刚石(W-DLC)薄膜和氮化钛(TiN)薄膜,在干摩擦和盐雾腐蚀气氛摩擦条件下的摩擦磨损性能。方法在商用Ti6Al4V合金表面通过非平衡磁控溅射制备Cr-DLC薄膜和W-DLC薄膜,通过多弧离子镀技术制备TiN薄膜。利用扫描电镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机、白光干涉扫描轮廓仪,对薄膜的形貌、硬度、干摩擦和腐蚀摩擦性能、磨痕形貌进行测试分析。结果干摩擦条件下,Ti6Al4V合金表面沉积Cr-DLC、W-DLC和TiN三种薄膜的摩擦系数均比Ti6Al4V合金低;Ti6Al4V合金及其表面制备的三种薄膜在盐雾腐蚀气氛条件下的摩擦系数都比干摩擦条件下有所增加。与Ti6Al4V合金相比,Cr-DLC、W-DLC和TiN三种薄膜在干摩擦和盐雾腐蚀气氛摩擦条件下均减小了磨损体积。干摩擦条件下,W-DLC薄膜的磨损体积为0.0017 mm^3,耐磨性最好;盐雾腐蚀气氛摩擦条件下,TiN薄膜的磨损体积为0.0028 mm^3,表现出最佳的耐腐蚀磨损性能。通过磨痕形貌可以得出,盐雾腐蚀气氛摩擦条件下,Ti6Al4V合金表面制备的金属掺杂类金刚石薄膜的磨损受到磨粒磨损和腐蚀磨损双重机制的影响。结论三种表面功能薄膜在盐雾腐蚀气氛摩擦条件下都较好地保护了Ti合金,极大地减少了磨损损失。

退火处理对WC-DLC薄膜结构及性能的影响

为研究退火处理对WC-DLC薄膜结构与性能的影响,采用磁控溅射技术在高速钢表面沉积WC-DLC薄膜,并作不同温度下的退火处理,对不同温度退火处理后的WC-DLC薄膜的结构、摩擦学性能与耐腐蚀性能进行系统表征。结果表明:WC-DLC薄膜呈现出非晶态特征,随着退火温度的上升,薄膜中sp3-C相对含量下降;当退火温度在250℃时,WC-DLC薄膜在大气环境下与去离子水环境下分别表现出最优的摩擦学性能,磨损率分别为1.25×10^(-7)mm^3/Nm与1.02×10^(-7)mm^3/Nm。同时,当退火温度低于250℃时,WC-DLC薄膜的耐腐蚀性能无明显变化,但当退火温度高于250℃时,WC-DLC薄膜的耐腐蚀性明显下降。退火处理对WC-DLC薄膜的热稳定性、摩擦学性能及耐腐蚀性能有重要影响。

离子束辅助沉积技术制备耐磨抗蚀膜层的研究进展

介绍了离子束辅助沉积技术及其在制备耐磨抗蚀膜层方面的应用,对该技术目前的发展现状及应用前景作了评述。

离子束类金刚石膜的摩擦磨损及耐蚀性能

研究了沉积类金刚石膜 (DLC)的 4 0Cr钢的摩擦磨损性质 ,定量分析了DLC膜的耐蚀性。研究表明 :DLC膜能显著降低 4 0Cr钢表面摩擦系数和表面粗糙度 ,在相同载荷条件下DLC膜的磨损速率比 4 0Cr钢低 2个数量级 ;在各种腐蚀介质中 ,DLC膜的腐蚀速率明显低于 4 0Cr的 ,且其电极电位、自然腐蚀电位和点蚀击穿电位均高于 4 0Cr钢的 ,表明DLC膜可提高 4

AISI 316L不锈钢表面沉积Ti掺杂类金刚石薄膜及其性能

为了进一步评价医用材料AISI 316L不锈钢表面沉积掺杂Ti类金刚石薄膜的应用性能,采用离子束辅助沉积技术在AISI 316L不锈钢表面沉积了掺杂Ti类金刚石(DLC-Ti)薄膜。分别利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、摩擦磨损试验机、电化学工作站及纳米压痕仪对DLC-Ti薄膜的晶体结构,表面与截面形貌,摩擦磨损性能,电化学性能,硬度和弹性模量进行了表征。结果表明:DLC-Ti薄膜的摩擦系数超低(0.017~0.029)且未出现磨损,自腐蚀电位和点蚀电位相对于基体向正电位方向移动。DLC-Ti薄膜综合性能较好,在整形外科及刀具等应用方面具有很好的前景。

热镀锌钢板无铬自润滑钝化膜的成膜机理及性能

目前,关于含氟自润滑钝化液在锌基表面的成膜过程及膜层结构研究较少,采用含氟自润滑钝化液对热镀锌钢板进行钝化。采用电化学测试、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及端面摩擦磨损试验对钝化膜的耐电化学腐蚀性能、微观形貌、粗糙度以及自润滑性进行研究,并分析了其钝化成膜机理。结果表明:经自润滑钝化处理后的热镀锌钢板对腐蚀介质的阻碍能力较强,已经达到或超过铬酸盐钝化水平,其表面通常存在一层网状结构的有机薄膜,作为粘结剂对硅溶胶及含氟润滑剂起吸附作用,呈弥散状态分布的固体润滑剂在冲压以及摩擦过程中能有效降低摩擦系数。

镁合金表面注N及直流磁控溅射Ti-TiN膜研究

在镁合金表面经注N后,通过改变Ar/N2流量比研究直流磁控溅射Ti-TiN膜对镁合金表面耐蚀性和耐磨性影响。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等手段分析镀膜的表面形貌和组织结构,通过显微压痕实验测定镀膜的结合情况,通过动电位极化和摩擦磨损试验研究镀膜的耐蚀性和耐磨性。结果表明:镁合金进行溅射清洗、氮离子注入再进行磁控溅射Ti-TiN膜,可以提高镀膜的结合效果,膜表面产生Ti、TiN晶相,可有效地改善镁合金AZ31的耐磨、耐蚀性能。其中,Ar/N2流量比为11∶2时,获得的注N及直流磁控溅射Ti-TiN膜其耐磨、耐蚀性最好。

PECVD法沉积类金刚石薄膜的耐腐蚀性能研究

金属材料在实际生活中应用广泛,但其易被摩擦磨损及易被腐蚀的特点成为其广泛应用中的主要障碍。本文介绍利用类金刚石(Diamond-like Carbon,DLC)的高硬度、低摩擦系数、高耐磨性及高化学稳定性等特点,采用等离子体增强化学气相沉积的方法,以C2H2为碳源、Ar为辅助气体在金属表面沉积DLC薄膜来提高金属的耐磨耐腐蚀性能。薄膜和基底的耐腐蚀测试分别用电化学腐蚀和烟雾腐蚀测量,DLC膜的化学结构和组成通过傅里叶红外光谱仪测量,文中讨论了DLC膜结构和组成对其耐腐蚀性能的影响。

CrNi3MoVA钢表面过滤阴极真空电弧沉积DLC膜的性能

为提高特种机械零件的耐磨性和耐腐蚀性,采用过滤阴极真空电弧技术在其表面沉积了一层厚度约为2μm的类金刚石碳(DLC)膜。利用扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机和电化学工作站分别测试了CrNi3MoVA钢与施加DLC膜的CrNi3MoVA钢(以下简称DLC膜)的微观结构、纳米力学性能、摩擦磨损性能及耐腐蚀性。结果表明DLC膜的硬度较裸钢提高了65%,弹性模量降低了约32%;裸钢稳定的摩擦系数为0.65～0.75,而DLC膜稳定的摩擦系数仅为0.10～0.11;裸钢的磨损机制主要为磨粒磨损和塑性流动,而DLC膜的磨损机制主要为剥层磨损;DLC膜的腐蚀电流密度较裸钢的腐蚀电流密度低了两个数量级,自腐蚀电位正移了逾0.3V,电化学反应阻抗高了3个数量级。DLC膜能够极大地提高裸钢的耐磨性和耐腐蚀性。

Si_3N_4-hBN复相陶瓷材料在海水环境中的摩擦学特性研究

通过热压烧结制备不同含量hBN的Si_3N_4复相陶瓷材料,利用MMW-1立式万能摩擦磨损试验机研究Si_3N_4-hBN复相陶瓷材料与Ti6Al4V钛合金在海水环境下的摩擦学性能,采用扫描电子显微镜(SEM)来观察分析材料的磨损形貌;同时采用EDS能谱仪对摩擦表面的元素分布进行定性分析并且对摩擦表面膜的元素分布进行定性分析.结果表明,hBN的加入降低了Si_3N_4陶瓷材料的物理力学性能;海水环境,20 N、1 000r/min条件下,纯氮化硅(0.467,1.01×10-5 mm^3/Nm)的摩擦因数和磨损率高于hBN含量为5%(0.411,5.58×10-6mm^3/Nm)和10%(0.417,6.55×10-6 mm^3/Nm)的Si_3N_4复相陶瓷材料,低于hBN含量为20%(0.505,2.07×10-5 mm^3/Nm)和30%(0.485,1.34×10-5 mm^3/Nm)的Si_3N_4复相陶瓷材料.当hBN含量为5%时,摩擦配副的摩擦因数和磨损率均最低,表明了Si_3N_4-5 wt.%hBN具有良好的摩擦学性能,这归因于TC4盘试样表面生成了具有润滑作用的SiO_2、TiO_2、Fe_2O_3、Al(OH)3和Mg(OH)2等物质,该物质不仅能改善配副摩擦的摩擦因数,还对摩擦表面起到了一定的保护作用.

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。

低温溶胶凝胶法制备TiO_2薄膜减摩性能的研究

采用溶胶-凝胶法并结合水热后处理技术在金属铜表面制备了TiO_2薄膜,利用扫描电子显微镜、X射线衍射对薄膜的表面形貌、晶型进行了表征,通过极化曲线研究了TiO_2薄膜在3.5%NaCl水溶液中的耐蚀性能,并考察了TiO_2薄膜的摩擦磨损性能.结果表明:170℃下水热处理后得到的TiO_2薄膜与480℃直接焙烧处理制备的TiO_2薄膜的表面形貌和晶型存在着明显差异,前者具有较低的摩擦系数和更长的耐磨寿命,同时在3.5%Na Cl溶液中的耐蚀性能也明显优于后者.