基于正交试验的磁控溅射铝涂层对孪晶诱发塑性钢耐蚀性的影响

目的利用磁控溅射技术在孪晶诱发塑性钢板表面沉积铝涂层,借助L9(3^(3))正交试验设计表研究热丝电流、靶电流和基体偏压3个工艺参数对铝涂层相结构、微观形貌以及耐蚀性能的影响。方法利用XRD和SEM研究铝涂层的微观结构。利用电化学工作站和盐雾试验箱测试并分析铝涂层的耐蚀性能。通过极差分析得到热丝电流、靶电流和基体偏压所对应的极差值(R值)。结果引入热丝后,基体偏流密度从0.02 mA/cm^(2)提升至0.72 mA/cm^(2),提高了1个数量级;靶电流与基体偏压的影响不明显。涂层厚度随靶电流的增加而增大,靶电流由3 A增至9 A的过程中,涂层厚度由0.67μm增加至3.16μm。择优取向在热丝电流与基体偏压的共同作用下由(200)向(111)转变,这反映了晶体内部应力增大。铝涂层均为典型的再结晶形貌。在热丝电流从0 A增大到20 A的过程中,自腐蚀电位由-969 V增大至-656 V,靶电流和基体偏压的影响较小。自腐蚀电流密度随靶电流的增加而增大,当靶电流从3A增至9A时,其数值由1.15×10^(-7)A/cm^(2)增大为3.04×10^(-7)A/cm^(2);自腐蚀电流密度随热丝电流和靶电流呈现先增后减的趋势。腐蚀面积与热丝电流成正相关,热丝电流越大,腐蚀面积越大(5.03%~12.21%);腐蚀面积与靶电流成负相关,靶电流越大,腐蚀面积越小(10.62%~6.51%)。结论热丝电流主要影响涂层的致密度,热丝电流越大,涂层越致密,自腐蚀电位越高。靶电流主要影响涂层厚度,涂层越厚越耐蚀,同时也变得疏松,点蚀增多。基体偏压对于铝涂层的耐蚀性影响不大。

旋转圆柱磁控溅射阴极设计和磁场强度分析计算

磁场分布对旋转圆柱靶磁控溅射阴极的性能起着决定性作用。本文应用ANSYS有限元方法对单个旋转圆柱靶和孪生旋转圆柱靶阴极磁场强度进行了模拟计算,得到的磁场分量Bx、By在靶材表面的二维磁场分布,并利用Bx、By计算得到了圆柱靶表面切线方向的磁场强度Bτ。通过调节磁铁的高度、宽度、磁铁间夹角以及孪生靶间距和靶中心轴旋转角度等参数对磁场分布进行了优化,优化后的圆柱磁控溅射阴极的表面切线方向磁场强度增加了大约40%,所对应的溅射区磁场面积也增大了大约45%。

旋转圆柱靶溅射沉积产额分布

采用数值计算模型,计算了旋转圆柱靶溅射产额分布。数值计算中假设从靶溅射出来的粒子服从余弦函数定律。计算得到的单靶溅射产额分布和Al靶在Ar气压0.4Pa测量得到的实验值基本相同。同时计算了孪生旋转圆柱靶的溅射产额分别与靶基距、靶间距,以及靶旋转角度的相关性。

辅助离子束对中频孪生磁控反应溅射制备氧化钛光学薄膜的影响

本文利用孪生靶50 kHz中频磁控反应溅射的方法,在多孔阳极层离子束源产生的低温离子束辅助条件下制备了光学性能良好的氧化钛薄膜。利用原子力显微镜、分光光度计、椭圆偏振光谱仪研究了离子束功率以及退火温度对氧化钛薄膜形貌、光学折射率和消光系数、孔隙率等的影响。结果表明:利用中频孪生磁控溅射的方法将沉积工艺控制在反应过渡区,可以有效的抑制钛靶中毒和阳极消失,反应溅射过程稳定;辅助离子束提高了等离子体的电荷密度;氧化钛薄膜堆积密度和光学折射率也有所提高,薄膜表面趋于平坦,孔隙率降低。氧化钛薄膜在高温退火处理时由于出现从非晶到多晶转变以及晶体长大与转变,结构逐渐趋于完整,表面粗糙度不断增加;800℃时完全转化为金红石相,晶粒直径约70 nm。

磁控溅射银膜的晶粒结构对载流摩擦行为的影响

用磁控溅射法制备银膜,在导电脂润滑条件下进行载流摩擦实验,采用SEM、XRD、EBSD研究银膜在载流摩擦实验前后的晶粒结构变化。结果表明,磁控溅射方法制备的银膜表面晶粒均匀致密,断面形貌显示膜基结合好。银膜在(111)晶面出现择优取向,银膜表层和中层的晶粒分布和生长方向有利于其力学性能的发挥,且保证了较稳定的导电能力。银膜晶粒尺寸较小,平均晶粒尺寸为0.673μm,起到细晶强化的作用,且晶粒图中有不连续分布的孪晶银出现。磨损形貌较为光滑,存在点蚀坑能够容纳导电润滑脂,提升材料的导电性能。

微米压痕测量TiAlN薄膜断裂韧性的数字孪生方法

针对高性能表面层制造的薄膜断裂韧性检测,采用扩展有限元法(XFEM)模拟TiAlN薄膜微米压痕行为,基于数字孪生方法优化薄膜最大起始断裂应力(σ_(max))和相应的裂纹分离距离(δc)参数,根据Griffith-Irwin关系测定薄膜断裂韧性。深振荡磁控溅射(DOMS)在AISI 304奥氏体不锈钢基体上沉积具有立方结构的TiAlN薄膜,随着峰值功率由58.7 kW增至129.9kW,薄膜的择优取向由(111)转变为(200)。维氏微米压痕试验在载荷500 mN下压制,聚焦离子束(FIB)结合扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜平面和横截面开裂行为,通过3D XFEM建模表征薄膜损伤过程,将模拟的薄膜裂纹形态、数量、分布及总长度与试验值进行交互反馈和融合分析,孪生匹配出薄膜平面开裂的σ_(max)和δc参数,计算出AISI 304奥氏体不锈钢上沉积TiAlN薄膜的断裂韧性。随着DOMS峰值功率提高,TiAlN薄膜断裂韧性先增加后减小。峰值功率为90.2 kW,伴随最高纳米硬度28.3 GPa,断裂韧性最大值为1.88 MPa·m^(1/2),DOMS沉积TiAlN薄膜具有强韧性复合性能。XFEM模拟微米压痕的数字孪生方法,不仅发展了薄膜断裂韧性的测量技术,还为高性能表面层制造反问题提供了一种求解方法。

中频孪生靶非平衡磁控溅射制备Ti/TiN/Ti(N,C)黑色硬质膜

利用自制的等离子体增强型渗注镀复合处理设备上的非平衡磁控溅射功能,在不同硬度基底上制备了Ti/TiN/Ti(N,C)多层复合膜。膜呈深黑色,表面光滑平整,可见光区反射率在8.2%～10.2%之间,亮度L=38.01,沉积速率约为1.21μmh。膜的硬度测试结果受基底影响较大,YW2硬质合金基底上制备0.85μm厚的黑色硬质膜显微硬度Hv(25g)=2936。膜的结合力不高,有待进一步优化工艺加以解决。

磁控溅射Ag膜磨斑微结构与耐磨机理研究

在铜基底上制备了磁控溅射银膜,采用激光共聚焦显微镜(LSCM)、透射电镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)及电子背散射衍射(EBSD)等分析技术对载流摩擦试验后的磨斑微结构进行了分析.结果表明:磨斑表面较平滑,可见犁沟、微坑及塑性流动等形貌,磨斑边缘存在堆积和剥落.磨斑表面颗粒形态为短棒状和球状,颗粒尺寸为20~150 nm.磨斑微结构中存在(012)和有利的(111)择优取向,晶粒平均粒度为582 nm,多数晶粒极细小,起到细晶强化作用.在磨斑微结构中发现大量孪晶,(111)取向孪晶占比达到93.5%,这种高密度孪晶夹杂非孪晶的微结构,有利于材料内部的滑移和提高耐磨性.在孪晶界发现存在大量{111}晶面族层错结构,有利于材料晶粒间滑移并提升宏观摩擦性能.

基于孪生靶的磁控溅射系统薄膜厚度均匀性的研究

磁控溅射系统中薄膜厚度的均匀性是关键指标之一。通过分析磁场强度、靶材与基板的距离和气体压强对Si_(3)N_(4)和SiO_(2)两种薄膜厚度均匀性的影响,借助Langmuir探针分析等离子体的密度,并采用二进制阶梯式充气方式调整纵向的均匀性。通过对靶材加载正弦半波电压并使用MATLAB软件确定振幅及相位参数,从而调整横向的均匀性。实验结果表明,对于Si_(3)N_(4)膜层,其在横向上、中和下的均匀性分别为±1.27%、±0.62%和±1.33%,纵向的均匀性为±0.33%;对于SiO_(2)膜层,其在横向上、中和下的均匀性分別为±1.12%、±0.42%和±1.23%,纵向的均匀性为±0.25%。

辅助离子束对孪生磁场中频反应溅射等离子体特性的影响

在自行研制的离子束辅助孪生磁场中频反应溅射设备中制备光学氧化钛薄膜,利用郎缪尔静电探针研究等离子特性变化,同时测定基片表面的伏安(I-V)特性。结果表明,随离子束功率密度不断提高,等离子体电子密度不断增加,悬浮负电位绝对值减小,溅射阴极电压下降;基片表面经历从富电子向富阳离子转变,基片正电位不断提高;辅助离子束为109 W时,基片表面处于电中性等离子体平衡态。