Ti6Al4V表面增强CrN和TiN薄膜

目的研究表面增强氮化铬(CrN)和氮化钛(TiN)薄膜与Ti6Al4V(TC4)基体的适应性。方法采用热丝增强等离子体磁控溅射技术,通过改变热丝放电电流,在TC4合金表面制备CrN、TiN薄膜。采用扫描电子显微镜、X–射线衍射仪、纳米压痕仪、洛氏硬度计和摩擦磨损测试仪分别表征薄膜的组织形貌、成分、相结构、内应力、纳米硬度、弹性模量及耐磨性。结果随着热丝放电电流从0 A增加至32 A,等离子体密度增大,薄膜表面形貌由较疏松的四棱锥形转变成致密球形,截面柱状晶排列更加致密;薄膜择优取向从低应变能的(111)取向转变为低表面能的(200)取向;无热丝放电时TiN薄膜内应力高于CrN薄膜,随着热丝放电电流的增大,TiN薄膜内应力逐渐低于CrN薄膜;并且随着热丝放电电流的增大,薄膜的弹性模量与硬度均增大,但相同试验条件下CrN薄膜的弹性模量与硬度均低于TiN薄膜;压痕检测结果表明,薄膜与基体结合完好;低载荷摩擦磨损检测结果表明,硬度及弹性模量较高的TiN薄膜磨损量最低。结论在相同等离子体密度能量轰击下,硬度和弹性模量较高的TiN薄膜内应力增幅较小;低载荷磨损时,弹性模量及硬度较高、内应力较低的TiN薄膜更适用于Ti6Al4V基体的增强改性。

TC4钛合金表面涂层改性:CrN素多层

目的提高TC4钛合金的硬度和耐磨损性,改善CrN硬质涂层与TC4钛合金的适应性。方法采用等离子体增强磁控溅射系统,通过调节热丝放电电流,在TC4钛合金基体表面沉积疏密CrN单层和素多层涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、纳米压痕仪、洛氏压痕仪、摩擦磨损仪以及台阶仪,表征涂层形貌、成分、物相及性能。采用动电位极化法表征涂层的耐腐蚀性。结果当热丝放电电流为较低的4 A×4时,沉积的CrN单层涂层为具有针孔、孔洞等缺陷的疏松结构,8 A×4沉积的CrN单层涂层具有致密结构,周期性调节热丝放电电流则获得疏密交替的CrN素多层涂层。CrN涂层均由单一面心立方结构的CrN相组成,疏松CrN单层涂层的衍射晶面为(111)、(200)、(220)及(222),致密CrN单层涂层沿(111)晶面择优生长,随着疏密子层调制比的增大,CrN素多层涂层的(111)衍射峰不断增强。疏松CrN单层涂层的最小H和最大E分别为13.0 GPa和207.5 GPa,调制比为1:4的疏密CrN素多层涂层的最小H和最大E分别为17.0 GPa和257.4 GP。在1470 N载荷下洛式压痕法表明,致密CrN单层涂层的结合强度最低,等级为HF5,其余涂层均为HF1—HF4。CrN涂层的自腐蚀电位较TC4钛合金均发生了正移。结论CrN硬质涂层可以有效提高TC4钛合金的硬度和耐磨损性,表面得到明显强化。周期性调节等离子体密度所沉积的疏密CrN素多层涂层与单层相比,涂层性能明显改善。

TC4钛合金表面的多层素CrN涂层

采用热丝增强等离子体磁控溅射技术,通过改变基体偏压,在TC4钛合金表面沉积了多层素CrN涂层。利用SEM、EDS和XRD分别分析了多层素CrN涂层的形貌、成分及相结构,采用划痕仪、显微硬度仪、纳米压痕仪等对多层素CrN涂层与TC4钛合金的结合力和力学性能进行分析讨论。结果表明,通过调控磁控溅射基体偏压,沉积获得的多层素CrN涂层表面平整致密,截面多层结构明显可见,涂层厚度约5μm。多层素CrN涂层沿(200)、(111)面择优生长;涂层与基体结合力达69 N,其厚度450 nm处的杨氏模量和纳米硬度分别为320 GPa和25 GPa;涂层表面磨痕宽度仅为TC4钛合金的8.5%。多层素CrN涂层与TC4钛合金结合力强,适用于提高钛合金表面的硬度及耐磨损性能。

表面预处理对钛合金表面低温等离子体氮化的影响

为提高TC4钛合金表面摩擦学性能,探究酸洗及等离子体预处理对TC4钛合金表面低温等离子体氮化进程的影响。首先采用热丝增强等离子体氮化系统分别对表面酸洗及未酸洗TC4钛合金在氩气气氛下进行等离子体预处理,然后对各种表面预处理的TC4钛合金实施低温(500℃)等离子体氮化。采用扫描电子显微镜、能谱仪及X射线衍射仪分别分析了试样的截面形貌、氮势分布和物相组成;采用显微硬度计、摩擦磨损仪和轮廓仪测试氮化后TC4钛合金表面的显微硬度、磨痕曲线和摩擦系数,并计算了磨损量。结果表明:低温氮化后TC4钛合金基体组织形貌不变,表面获得厚度约10μm的氮化层。氮化后TC4钛合金的XRD衍射峰均向低角度偏移,表明形成含氮固溶体相。其中酸洗复合30 A等离子体预处理的TC4钛合金氮化后,XRD衍射峰向低角度偏移最明显,偏移量达0.2°。与基体相比,酸洗复合30 A等离子体预处理的TC4氮化表面显微硬度提高至691 HV,磨损量仅为基体的16%。酸洗复合等离子体预处理有效去除TC4钛合金表面氧化层、粗化表面,促进低温等离子体氮化进程,有利于含氮固溶体相形成,从而提高其表面摩擦学性能。

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。

等离子体密度调控CrN薄膜结构改性Ti6Al4V双极板

目的满足质子交换膜燃料电池双极板的使用要求。方法采用热丝增强等离子体磁控溅射技术,通过改变热丝放电电流调控溅射等离子体密度,在Ti6Al4V(TC4)合金表面制备了氮化铬(CrN)薄膜。结果随着热丝放电电流从0 A增加至32 A,真空腔内等离子体密度增强,‒50 V偏压下基体偏流密度从0.07 mA/cm^(2)增至0.7 mA/cm^(2)。CrN薄膜择优取向从低应变能的(111)转变成表面能更低的(200)择优取向。薄膜表面形貌由较疏松的四棱锥型转变成致密球形;无热丝时,CrN薄膜显示有铬的(110)衍射峰且铬原子数分数为52.16%,为富金属薄膜。热丝放电电流为16 A和32 A时,CrN薄膜中的铬原子数分数分别降至50.79%和49.82%,且无Cr的衍射峰,即逐渐转变为贫铬。采用热丝辅助磁控溅射,将使氮气离化率增大,活性增强,引起薄膜贫铬。模拟双极板工作环境下,与TC4腐蚀电流密度1.5×10^(‒8) A/cm^(2)相比,CrN薄膜的腐蚀电流密度由无热丝的3×10^(‒5) A/cm^(2)降至使用热丝的9×10^(‒9) A/cm^(2)。对电化学阻抗谱拟合等效电路表明,无热丝放电电流条件下制备的CrN薄膜等效电路中出现了基体与涂层间的电阻,说明疏松涂层为腐蚀液提供了通道,在基体和涂层间形成了腐蚀。16 A和32 A热丝放电电流条件下制备的CrN薄膜与表面无涂层的钛合金等效电路相同,说明致密涂层能有效阻碍腐蚀介质的渗入,具有最佳腐蚀抗性。无热丝放电电流时接触电阻为7.95 mΩ·cm^(2),热丝放电电流16 A时接触电阻增至15.65 mΩ·cm^(2),32 A时接触电阻大幅增加。结论在质子交换膜燃料电池双极板备选材料钛合金表面制备致密CrN薄膜,增强了基体的耐蚀性,但贫铬组分导致薄膜电阻增大。在钛合金电极板表面制备致密且略富金属或化学剂量比相当的CrN薄膜,将满足其作为燃料电池双极板的使用条件。

石墨烯/PET保护膜的制备

为了增加石墨烯的耐磨性,同时保证石墨烯本身的优良性能,研究采用磁控溅射和真空蒸镀两种方法,在双层石墨烯/PET上制备TiN、GaN和ZnO三种不同材料的保护膜,并对制备出的不同复合薄膜的性能进行研究。结果表明,制备的保护膜表面形貌均匀,三种材料均以非晶态存在于石墨烯表面。真空热蒸镀比较适合用来制备石墨烯保护膜,GaN比较适合用来做石墨烯的保护膜。

等离子增强磁控溅射氮化铬强化喷针头

喷针头是自动喷号机中喷枪的易损部件,其耐磨性直接影响自动喷号机的打印标号效果。为延长其使用寿命,本文采用等离子增强磁控溅射技术,通过调控热丝放电电流、反应气体通量和镀膜时间,在喷针头表面制备化学计量比和厚度不同的氮化铬薄膜。实验结果表明,热丝放电电流大、镀膜时间短且氩氮比高时,氮化铬薄膜的硬度、模量及膜基结合强度较高。热丝电流5 A×4、气压0.35 Pa、N2与Ar流量为1∶1的条件下镀膜60 min,获得厚度1.25μm的氮化铬薄膜,其膜基结合强度高达87 N,涂覆氮化铬的喷针头耐磨性能提高至原来的2倍。