高速钢表面PN＋PVD复合处理工艺和性能研究

采用多弧离子镀设备,在高速钢W18Cr4V上先进行等离子氮化,再沉积TiN薄膜,研究了不同渗氮温度和时间对PN+TiN薄膜组织和性能的影响.结果表明,温度为500℃左右和时间为2h以上条件下对W18Cr4V进行渗氮处理后再沉积TiN薄膜,可以得到最佳的薄膜表面显微硬度(1800～2000HV0.05)和膜/基结合力(50N),涂层耐磨性也得到明显提高.     

沉积温度对CVD-HfC涂层微观结构和力学性能的影响

采用HfCl4-CH4-H2-Ar体系,利用化学气相沉积法(CVD)在C/C复合材料表面制备HfC涂层.利用X线衍射仪、扫描电子显微镜和纳米压痕测试仪对涂层的微观结构和力学性能进行表征与分析.研究沉积温度对HfC涂层的物相组成、沉积速率、微观结构和力学性能的影响.研究结果表明:在1 400～1 600℃沉积温度内,沉积涂层均由单一的立方HfC组成.随着沉积温度的提高,HfC涂层沉积速率逐渐增加;涂层表面HfC晶粒的择优取向面由(220)向(200)转变,涂层组织结构由细柱状晶转变为粗大柱状晶.HfC涂层的显微硬度和弹性模量分别在16～21 GPa和247～282 GPa之间.1 500℃沉积HfC涂层的力学性能最佳,其显微硬度和弹性模量分别达到20.29GPa和282.34GPa.     

基体温度对磁控溅射TiN薄膜结构与力学性能的影响

采用直流反应磁控溅射方法在304不锈钢表面沉积TiN薄膜.利用场发射扫描电镜、X射线衍射仪和纳米压痕仪研究基体温度对TiN薄膜结构与性能的影响.结果表明:TiN薄膜为柱状结构,表面平整、致密.薄膜为面心立方结构(fcc)TiN并存在择优取向,室温和150℃时薄膜为(111)晶面择优取向,300和450℃时薄膜为(200)晶面择优取向;室温时薄膜厚度仅为0.63μm,加温到150℃后膜厚增加到1μm左右,但继续加温对膜厚影响不明显;平均晶粒尺寸随着基体温度的升高略有上升;薄膜的硬度、弹性模量和韧性(H3/E*2)随基体温度的升高而增加,最值分别达到25.4,289.4和0.1744GPa.     

退火对AlCN非晶薄膜结构及力学性能的影响

利用磁控溅射方法在单晶硅基片上制备出不同Al含量AlCN非晶薄膜,随后分别在700℃和1000℃进行真空退火热处理.使用X射线衍射仪和高分辨透射电镜研究了沉积态和退火态薄膜的组织和微观结构,用纳米压痕仪测试硬度和弹性模量.结果表明,退火态薄膜组织和微观结构强烈依赖于薄膜的Al含量.经1000℃退火后,低Al含量AlCN薄膜没有出现结晶现象,但形成了分层;高Al含量AlCN薄膜中,退火促使AlN纳米晶的生成,使薄膜形成了非晶包裹纳米晶的复合结构,随着距表面深度的增加,形成的纳米晶密度和尺寸均有减小的趋势.随着退火温度的升高,AlCN薄膜的硬度和弹性模量均降低;而对于高Al含量AlCN薄膜,由于形成了纳米复合结构,硬度和弹性模量下降幅度减少.     

奥氏体不锈钢离子渗N组织及性能

采用辉光离子渗N技术对奥氏体不锈钢球阀进行表面氮化处理,改变其表面结构,提高表面耐磨性.选取三组离子渗N的温度,分别为400、440、480 ℃,渗N时间设置为12 h.采用扫描电镜、光学显微镜、X射线衍射仪、维氏显微硬度计和材料表面综合测试仪对渗N改性层的表面形貌、截面形貌、显微硬度和耐磨性进行测试.结果表明:离子渗N技术可以大幅提高奥氏体不锈钢的硬度和耐磨性.渗N温度为400 ℃时,渗N改性层最薄,耐磨性最差,480 ℃时渗N改性层最厚、耐磨性最好.     

阴极弧电流对TiN及(TiTa)N薄膜结构和性能影响

利用电弧离子镀技术在高速钢基体上制备了TiN和（TiTa)N薄膜，采用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）对薄膜的微观组织结构进行了系统分析，研究结果显示：随着阴极弧电流的增加，沉积温度线性上升，薄膜由（111）织构向无择优取向转化，阴极弧电流对TiN薄膜的显微硬度影响较大，而对（TiTa）N薄膜的显微硬度无显著影响，此外，讨论了阴极弧电流对TiN和（TiTa)N薄膜的微观组织和性能的影响机制。     

Si含量和基片温度对Ti-Si-N纳米复合薄膜的影响

通过多靶磁控反应溅射方法沉积了Ti-Si-N系纳米复合薄膜。采用电子能谱仪（EDS）、X－射线衍射（SRD）、透射电子显微镜（TEM）、X－射线光电子能谱（XPS）和显微硬度仪分析Ti-Si-N系薄膜的微观结构和力学性能，以及基片温度对薄膜微结构和硬度的影响。结果表明，薄膜中的Si以非晶Si3N4形式抑制TiN晶粒的生长，使之形成纳米晶甚至非晶；薄膜硬度在a(Si)=4.14%时达到最大值（36GPa），继续增加Si的含量，薄膜硬度逐渐降低。基片温度的提高减弱了Si3N4对TiN晶粒长大的抑制作用，因而高的沉积温度使薄膜呈现出硬度峰值略低和硬度降幅减缓的特征。     

35CrMo钢罐装法多段渗氮渗层组织与耐蚀性能

为确定合理的多段渗氮工艺,以尿素为渗氮剂,采用密封罐法对35CrMo钢进行多段渗氮处理,并利用金相显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计和化学工作站研究了由不同阶段渗氮工艺制备的氮化层的显微组织、显微硬度和耐蚀性能。结果表明:采用三段渗氮工艺(520℃×3 h+600℃×2 h+520℃×1 h)制备的渗氮层最厚,其氮化层组织主要由Fe-Cr相和Fe3N相组成,表面硬度较高,耐蚀性最好。该三段渗氮工艺符合氮化规律,增加了渗氮层厚度,提高了硬度和耐蚀性能。     

调制比对ZrN/NbB_2纳米多层薄膜结构和机械性能的影响

为了研究调制比对ZrN/NbB_2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技术在Si(100)基底表面上沉积合成具有不同调制比的ZrN/NbB_2多层薄膜,并利用X线衍射仪器(XRD)、表面轮廓仪(XP-2)和纳米压痕仪分别对ZrN/NbB_2薄膜的结构特征以及硬度、应力、弹性模量和结合力等机械性能进行研究.结果表明:不同调制比的ZrN/NbB_2多层薄膜结构中均出现了Nb B2(001)、Nb B2(002)和Zr N(111)衍射峰.随着调制比tZr N∶tNb B2从2∶1变化为1∶4,ZrN/NbB_2纳米多层膜的硬度和弹性模量均呈现先增后减的变化趋势,且在t_(ZrN)∶t_(NbB_2)=2∶3时,多层膜硬度和弹性模量分别达到39.29 GPa和428.47 GPa的最大值.     

N2分压对磁控溅射NbN薄膜微结构与力学性能的影响

采用反应磁控溅射法在不同的氮分压下制备了一系列NbN薄膜．用XRD和TEM表征了薄膜的相组成和微观结构，力学探针测量了薄膜的硬度和弹性模量，AFM观察了薄膜的表面形貌并测量了压痕尺寸以校验硬度值的准确性．研究了氮分压对薄膜相组成、微结构和力学性能的影响．结果表明，氮分压对薄膜的沉积速率、相组成、硬度和弹性模量均有明显的影响：低氮分压下，薄膜的沉积速率较高，制备的薄膜样品为六方β-Nb2N和立方δ-NbN两相结构；随氮分压的升高，薄膜形成δ-NbN单相组织，相应地，薄膜获得最高的硬度(36．6GPa)和弹性模量(457GPa)；进一步升高氮分压，获得的薄膜为δ-NbN和六方ε-NbN的两相组织，其硬度和模量亦有所降低．     

316奥氏体不锈钢渗N/镀CrN复合改性层组织与性能

分别在400、440、480 ℃下对316奥氏体不锈钢进行12 h的渗氮处理,再对渗氮后的试样进行物理气相沉积(PVD)镀CrN薄膜.采用扫描电镜(SEM)、光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、维氏显微硬度计和材料表面综合测试仪(HSR-2M)、电化学工作站等对复合改性层的表面形貌、截面形貌、成分、显微硬度、耐磨性以及耐蚀性进行测试.结果表明:400 ℃离子渗N/镀CrN试样耐磨性最差,耐蚀性最好;而480 ℃离子渗N/镀CrN试样耐磨性最好,耐蚀性最差;但比相同温度下单独渗氮试样的综合性能好.     

双层辉光离子渗金属技术沉积氮化钛薄膜的微观结构研究

采用双层辉光离子渗金属技术,在硬质合金基体表面上制备了氮化钛（TiN）薄膜,通过微观结构和显微硬度分析,研究了基体温度对TiN薄膜性能的影响.实验结果表明：所有TiN样品均具有面心立方结构,并且薄膜生长的择优取向、晶粒尺寸、晶面间距、晶格常数和微观硬度等都与基体温度密切相关.当基体温度为650～780℃时,TiN薄膜具有最小的晶粒尺寸（26.9 nm）和最大的显微硬度（2204 HV）.     

溅射功率对Zr-B-Nb-N纳米复合膜结构和机械性能的影响

为研究不同ZrB_2溅射功率对Zr-B-Nb-N纳米复合膜结构和机械性能的影响,利用磁控多靶共溅射的方法,在不同ZrB_2溅射功率下制备基底温度分别为室温和100℃的Zr-B-Nb-N薄膜,并应用XP-2表面轮廓仪测得镀层厚度和残余应力,利用X线衍射(XRD)测得复合膜的结构和晶向,利用电子显微镜(TEM)观察断面形貌,采用纳米压痕仪对薄膜进行划痕实验并测量薄膜的硬度、弹性模量和膜基结合力.实验结果表明:ZrB_2溅射功率为100 W时,复合膜具有ZrB_2(001)和ZrB_2(002)择优取向和非晶态Nb N包覆柱状晶ZrB_2的结构,这种结构的形成使复合膜的硬度达到最高的31.3GPa,相应的弹性模量为380.2 GPa.通过基底加温处理后,样品硬度无明显变化,说明复合膜的硬度具有良好的热稳定性.研究结果说明ZrB_2功率的改变对薄膜的微观结构和机械性能具有明显影响.     

温度对氮化锆膜微观性能的影响研究

本文以直流脉冲离子源辅助中频磁控溅射方式,在常温和低热条件下在玻璃衬底上制备氮化锆膜,通过扫描电镜和纳米压痕仪对薄膜的表面形貌、显微硬度、表面粗糙度的变化情况进行了研究。结果表明：增加薄膜的沉积温度,导致膜层硬度的降低;膜层中晶粒尺寸增大;微观粗糙度增加;晶粒之间的间隙明显减小;晶粒之间出现明显的镶嵌现象。     

沉积偏压对2024铝合金表面类金刚石薄膜结构及性能的影响

利用等离子体增强化学气相沉积技术,在2024铝合金表面制备类金刚石(DLC)薄膜,以改善铝合金表面机械性能。利用拉曼光谱及红外光谱,对不同沉积偏压下制备DLC薄膜的成分及结构进行表征;利用摩擦磨损试验机、纳米压痕仪及台阶仪等,分别对不同沉积偏压下制备DLC薄膜的耐磨性、硬度、弹性模量及薄膜厚度进行检测,并探讨了沉积偏压对薄膜结构及性能的影响规律及影响机制。研究表明:随着沉积偏压增大(1 800～2 600 V),薄膜厚度、硬度及弹性模量均先增大后减小。当沉积偏压为2 400 V时,DLC薄膜厚度最厚,硬度及弹性模量最高。当沉积偏压为2 600 V时,薄膜的H/(Ef)最高,并且摩擦系数从基体的0.492降低至0.095 8。     

P20钢等离子体氮化/DLC双重处理研究

为了提高DLC膜与P20塑料模具钢基体间的结合强度,采用高功率大电流脉冲电源,实现P20钢氮化及氮化/DLC连续双重处理。采用SEM、XRD和显微硬度仪对其表面结构、相组成及显微硬度进行测试分析,结果表明:氮化处理增大试样表面粗糙度,氮化层由γ'-Fe4N相和ε-Fe(2,3) N相组成,硬度由240HV0.05上升到830HV0.05;压痕法结合力测试和摩擦磨损实验结果表明,氮化处理提高DLC膜基结合力和摩擦磨损性能。     

升温过程和气压在近空间升华沉积CdTe多晶薄膜中的作用

近空间升华技术制备CdTe多晶薄膜具有薄膜质量好、沉积速率高、设备简单、生产成本低等优点.采用近空间升华法(CSS)制备的CdTe多晶薄膜,薄膜的结构、性质与整个沉积过程密切相关,其过程受到较多因素的影响.要实现对沉积过程的控制,必须对沉积过程中的热交换、物质输运进行深入的研究.分析近空间沉积的物理机制,通过对装置内的温度进行测量,对升温曲线进行实验研究,优选了温度分布与升温曲线,研究了气压对CdTe薄膜结构、性质的影响.讨论了升温过程、气压与薄膜的初期成核的关系.结果表明:不同气压下沉积的样品均为立方相CdTe,且还出现CdS和SnO2:F的衍射峰,随着气压增加,CdTe晶粒减小,薄膜的透过率下降,相应的吸收边向短波方向移动.采用衬底温度500℃,源温度620℃,沉积时间4min的沉积条件获得了性能优良的CdTe多晶薄膜.     

基片温度对CNx薄膜性能和结构的影响

采用离子束溅法，在单晶Si（100）基片上制备CNx薄膜。研究了基片温度对CNx薄膜性能和结构的影响。结果表明：随着基片温度的提高，薄膜生长致密，表面光滑；薄膜硬度逐渐提高，但温度升高到200℃后，硬度增加缓慢。同时，基片温度升高使薄膜中的N含量增加，促进C－N化合物结晶。X射线衍射结果证明在850℃时，薄膜中产生α－C3N4晶相。     

氢化非晶氮化硅薄膜的光学特性研究

采用螺旋波等离子体增强化学气相沉积(HWP-CVD)技术以SiH4和N2为反应气体沉积了氮化硅(SiN)薄膜,利用傅里叶红外吸收谱(FTIR)、紫外-可见透射谱(UV-VIS)等对薄膜的键合结构、光学带隙等参量进行了测量与分析.结果表明,采用HWP-CVD技术能在较低的衬底温度下制备低H含量的SiN薄膜,所沉积的薄膜主要表现为Si-N键合结构.适当提高N2/SiH4比例将有利于薄膜中H含量的降低.     

ZnS多晶薄膜的磁控溅射沉积及其性能研究

采用磁控溅射法,在玻璃衬底上沉积了ZnS多晶薄膜,研究了衬底温度和Ar气流量对ZnS薄膜质量的影响.利用表面轮廓仪测量了薄膜的厚度,计算了薄膜的沉积速率.使用X射线衍射(XRD)分析了薄膜的微结构.通过紫外-可见光分光光度计测量了薄膜的透过谱,计算了禁带宽度.结果表明:所有制备的ZnS薄膜均为闪锌矿结构,所有样品在(111)方向具有明显的择优取向,沉积速率随着村底温度升高而降低,薄膜有较大的内应力,导致禁带宽度变窄.衬底温度为300℃时,薄膜的结晶质量最好.随着Ar气流量的增加,沉积速率增大,但薄膜的结构和光学性能都没有明显的变化.