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关键词： DLC薄膜   磁控溅射   腐蚀   摩擦磨损   元素掺杂  

摘要： 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。

关键词： 磁控溅射   DLC薄膜   元素掺杂   表面形貌   结合力  

摘要： 为了研究W掺杂对类金刚石薄膜性能的影响,采用非平衡磁控溅射方法,通过改变WC靶功率,在YG6硬质合金基体上制备了5组不同W原子百分数(0%~14%)的含氢类金刚石薄膜(a-C:H:W)。用扫描电镜分析了薄膜的形貌,用拉曼光谱分析了薄膜的微观结构,分别用纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损试验仪测试了薄膜的纳米硬度、膜基结合力和摩擦学性能。结果表明,a-C:H:W薄膜表面为丘状颗粒,随着WC靶功率的增加,颗粒尺寸先减小后增加;W掺杂可促进薄膜的石墨化;W原子百分数为4%的薄膜的临界划痕力Lc2值达到78.28 N,磨损率为5.8×10^(-8)mm^(3)/(N·m),摩擦因数为0.09。

关键词： DLC薄膜   磁控溅射   腐蚀   摩擦磨损   元素掺杂  

摘要： 目的 为解决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方法，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元素含量从2.04at.%增加到4.16at.%，薄膜中的sp3键含量呈现先增加后减小的趋势，在Ta含量为3.60at.%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7.01GPa和157.87GPa。随着Ta元素含量的增加，薄膜的平均摩擦系数逐渐减小，在4.16at.%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10N左右。Ta元素含量为3.60at.%时，薄膜的腐蚀电流密度及钝化电流密度最小分别为0.006μA/cm2和0.63μA/cm2，相比其他薄膜低1至2个数量级，并且其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。

关键词： 摩擦磨损   DLC薄膜   元素掺杂   磁控溅射  

摘要： 在环境恶劣的海洋中，传统单一的类金刚石薄膜(DLC)已不能满足减摩和耐磨的性能要求，而元素掺杂已成为提升DLC薄膜摩擦学性能的重要方法。为了改善DLC薄膜的性能，采用直流磁控溅射技术在304不锈钢上沉积掺杂MoS2的DLC薄膜，研究DLC薄膜中掺杂MoS2对在大气环境、去离子水及人工海水环境的摩擦学性能的影响。利用SEM、EDS表征该薄膜的表面形貌及元素含量；XPS、Raman等测试手段表征薄膜含有元素的价态及微观结构；此外，通过纳米压痕仪及摩擦试验机测试薄膜的力学性能与摩擦学性能。实验结果表明：薄膜无孔洞及裂纹产生、组织结构均匀致密；薄膜最高硬度约10 GPa，弹性回复率达到56.8%，随着MoS2溅射功率的增加，薄膜的摩擦系数逐渐增加。在三种环境中，DLC-MoS2-40薄膜的摩擦系数及磨损率最低，摩擦系数分别约为304不锈钢的1/7、1/6和1/6，磨损率分别约为304不锈钢的1/10、1/3和1/3。MoS2掺杂类金刚石薄膜可以有效地改善304不锈钢基体的摩擦磨损性能。

关键词： 摩擦磨损   DLC薄膜   元素掺杂   磁控溅射  

摘要： 在环境恶劣的海洋中，传统单一的类金刚石薄膜(DLC)已不能满足减摩和耐磨的性能要求，而元素掺杂已成为提升DLC薄膜摩擦学性能的重要方法。为了改善DLC薄膜的性能，采用直流磁控溅射技术在304不锈钢上沉积掺杂MoS2的DLC薄膜，研究DLC薄膜中掺杂MoS2对在大气环境、去离子水及人工海水环境的摩擦学性能的影响。利用SEM、EDS表征该薄膜的表面形貌及元素含量；XPS、Raman等测试手段表征薄膜含有元素的价态及微观结构；此外，通过纳米压痕仪及摩擦试验机测试薄膜的力学性能与摩擦学性能。实验结果表明：薄膜无孔洞及裂纹产生、组织结构均匀致密；薄膜最高硬度约10 GPa，弹性回复率达到56.8%，随着MoS2溅射功率的增加，薄膜的摩擦系数逐渐增加。在三种环境中，DLC-MoS2-40薄膜的摩擦系数及磨损率最低，摩擦系数分别约为304不锈钢的1/7、1/6和1/6，磨损率分别约为304不锈钢的1/10、1/3和1/3。MoS2掺杂类金刚石薄膜可以有效地改善304不锈钢基体的摩擦磨损性能。

关键词： 法向载荷   位移幅值   DLC薄膜   微动行为   磨损机理  

摘要： 微动磨损是1种极具隐蔽性和危害性的磨损形式,目前一般通过固体薄膜或流体润滑剂来进行防护.类金刚石碳基(diamond-like carbon,DLC)薄膜具有良好的摩擦学性能,因而广泛应用于各种润滑.探索DLC薄膜的微动行为对预防和减轻机械微动损耗至关重要.本文作者通过调控法向载荷和位移幅值,开展了DLC薄膜的微动摩擦试验,探究二者对DLC薄膜微动摩擦行为的影响,并结合各种表征手段研究薄膜损伤情况及磨损机理.结果表明:在微动试验中二者的大小会直接影响微动接触状态;微动磨损在部分滑移区和完全滑移区的磨损机理不同;施加的载荷和位移幅值调控着摩擦界面的氧化程度、碳质转移膜形成及DLC薄膜石墨化程度,从而决定了DLC薄膜的减摩耐磨机理.此工作为DLC薄膜在实际微动工况中的应用提供一定理论依据.

关键词： 摩擦磨损   DLC薄膜   元素掺杂   磁控溅射  

摘要： 在环境恶劣的海洋中,传统单一的类金刚石薄膜(DLC)已不能满足减摩和耐磨的性能要求,而元素掺杂已成为提升DLC薄膜摩擦学性能的重要方法。为了改善DLC薄膜的性能,采用直流磁控溅射技术在304不锈钢上沉积掺杂MoS_(2)的DLC薄膜,研究DLC薄膜中掺杂MoS_(2)对在大气环境、去离子水及人工海水环境的摩擦学性能的影响。利用SEM、EDS表征该薄膜的表面形貌及元素含量;XPS、Raman等测试手段表征薄膜含有元素的价态及微观结构;此外,通过纳米压痕仪及摩擦试验机测试薄膜的力学性能与摩擦学性能。实验结果表明:薄膜无孔洞及裂纹产生、组织结构均匀致密;薄膜最高硬度约10 GPa,弹性回复率达到56.8%,随着MoS_(2)溅射功率的增加,薄膜的摩擦系数逐渐增加。在三种环境中,DLC-MoS_(2)-40薄膜的摩擦系数及磨损率最低,摩擦系数分别约为304不锈钢的1/7、1/6和1/6,磨损率分别约为304不锈钢的1/10、1/3和1/3。MoS_(2)掺杂类金刚石薄膜可以有效地改善304不锈钢基体的摩擦磨损性能。

关键词： 三元乙丙橡胶   DLC薄膜   基体粗糙度   结合力   摩擦学性能  

摘要： 目的探究三元乙丙橡胶(EPDM)表面粗糙度对DLC薄膜和Cr/DLC的微观结构、附着力、摩擦学性能的影响,并阐明Cr中间层对橡胶表面DLC薄膜的作用。方法使用砂纸打磨EPDM橡胶得到不同的表面粗糙度。采用非平衡磁控溅射技术在不同粗糙度的橡胶基体表面沉积无中间层的类金刚石碳基薄膜(DLC)及有Cr中间层的类金刚石碳基薄膜(Cr/DLC)。使用二维轮廓仪获得基体及薄膜的表面粗糙度,通过扫描电子显微镜以及拉曼光谱对薄膜的表面形貌和结构成分进行分析,并采用X切割试验和摩擦磨损试验分别评估DLC薄膜的附着力和摩擦学性能。结果基体表面粗糙度对薄膜的微观结构没有显著影响,但却对薄膜附着力以及摩擦学性能有较大的影响。薄膜附着力随着基体粗糙度的增加呈现先增大后减小的趋势,当基体表面粗糙度为1100 nm时,DLC薄膜具有最强的附着力和最佳的摩擦学性能。此外,Cr中间层的引入对提高薄膜附着力和承载能力起到了积极的作用。结论适当增加基体表面粗糙度可以增强DLC薄膜的附着力,改善薄膜的摩擦学性能。Cr中间层可以提高薄膜的承载能力,从而提高薄膜的耐磨性。

关键词： DLC薄膜   Si掺杂   热稳定性   表面织构   高温摩擦学性能  

摘要： 类金刚石(Diamond-like carbon,DLC)薄膜是一种具有高硬度、低摩擦、低磨损等优异特性的固体润滑薄膜,已广泛应用于航空航天、机械、生物医学等领域。然而,高温条件(>400℃)下,DLC薄膜热稳定性的降低以及摩擦界面产生的磨屑会恶化DLC薄膜的摩擦学性能,从而限制了DLC薄膜在高温工况环境下的应用。基于Si掺杂能够改善DLC(Si-DLC)薄膜的热稳定性,表面织构化能够捕获摩擦过程中产生的磨屑,本文提出Si掺杂及织构化耦合提升DLC薄膜高温摩擦学性能新思路,通过磁控溅射技术,采用网格覆盖新技术,制备了无织构和织构化处理的Si-DLC薄膜,系统研究了Si含量以及织构参数(面积率、宽度、深度)对Si-DLC薄膜结构,力学性能以及高温摩擦学性能的影响。主要的研究结果如下:(1)制备了不同Si含量Si-DLC薄膜,研究了Si-DLC薄膜结构、力学及高温摩擦学性能。研究表明:当Si C靶功率为0、100、200、300 W时,Si-DLC薄膜Si含量为0、0.93、2.91、5.04 at.%,对应的I/I分别为2.23、2.21、2.14、2.06,硬度分别为15.2、16.3、17.5、17.2 GPa,内应力分别为-2.36,-2.25,-2.01及-1.85 GPa。450℃摩擦学性能测试分析表明,无Si掺杂DLC薄膜快速失效,Si含量为0.93,2.91,5.04at.%的Si-DLC薄膜平均摩擦系数分别为0.028、0.033、0.090,磨损率分别为0.35×10、0.07×10、2.33×10mm/N×m。500℃下的摩擦测试表明,Si-DLC薄膜耐热时间随Si含量增加而增加,仅Si含量5.04%的Si-DLC薄膜在测试实验中未发生失效。分析表明,Si含量提高,Si-DLC薄膜sp-C含量增加,从而薄膜硬度提升、薄膜热稳定性增强。然而,高Si掺杂的DLC薄膜,其摩擦界面形成较多的磨屑,导致其摩擦系数较大且波动剧烈,磨损率较高。(2)通过网格覆盖织构技术,对5.04%Si含量Si-DLC薄膜表面进行织构化处理,系统研究了其结构、力学及高温摩擦学性能。研究表明:织构化宽度和深度为350μm和170 nm的Si-DLC薄膜摩擦系数曲线较稳定,摩擦系数和磨损率分别为0.043和3.4×10mm/N×m。分析表明,织构参数对Si-DLC薄膜的高温摩擦学性能有较大影响。首先,织构面积率过小时,磨屑储存率有限,织构面积率过大时,对偶球易陷入凹坑,摩擦系数增大。当织构化面积率为51%时,Si-DLC薄膜具有优异的摩擦学性能。其次,Si-DLC薄膜织构化宽度增大时,捕获磨屑能力提升,织构宽度为350μm的薄膜摩擦学性能相对最佳。另外,织构深度过小时,磨屑储存率有限,加剧了磨粒磨损,织构深度过大时,织构边缘易发生断裂,增大磨损率,织构深度为170 nm的Si-DLC薄膜摩擦学性能最优。

关键词： 氧乙炔热喷涂   Co基合金涂层   真空蒸发镀膜   真空阴极电弧离子镀   CrN薄膜   TiN薄膜   DLC薄膜  

摘要： 目前,随着表面工程技术的快速发展,在金属表面制备涂层和薄膜技术逐渐成熟。球阀和阀门作为重要的工业传输纽带,起着传输介质和控制流体方向的作用。因为球阀和阀门的特殊工况条件,对零部件力学性能有着很高的要求。一般提高金属零部件的力学性能是通过热处理和添加合适的微量元素,但是这些传统方法已经满足不了零部件特殊的工况环境,因此需要在金属表面制备涂层,满足其复杂的工作条件和延长服役寿命。本论文通过氧乙炔热喷涂成功制备Co基合金涂层,通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)中的真空蒸发和真空阴极电弧离子镀成功制备TiN、CrN和DLC薄膜(类金刚石薄膜),并且分析涂层和薄膜的组织形貌和综合力学性能。本论文主要分为以下几个部分:1.利用氧乙炔热喷涂制备单层Co基合金涂层并研究组织和力学性能:用氧乙炔热喷涂技术成功制备Co基合金涂层,通过XRD和金相显微镜分析涂层组织为CrC、C oC、C rC 、C oC等(以下统称为MC类金属碳化物,M指代金属元素,角标指代原子比),并且这些硬质碳化物是涂层硬度提升的一个重要原因。通过SEM可知,涂层组织较为致密,但是因为温度不均匀或者喷枪距离等问题导致涂层部分区域产生开裂和未熔融颗粒现象。此外,通过显微硬度分析,涂层和基体相比较硬度几乎增大三四倍耐磨损性能提升,因为制备的涂层组织内生成MC、MC等硬质碳化物,使硬度增加涂层耐磨损性能提高。并且通过制备涂层,耐腐蚀性能也进一步得到优化,因为基体组织较为疏散,在表面制备涂层使组织变得更加致密减少孔隙的产生,同时因为涂层含有Cr等元素在表面生成一层致密的氧化层,所以提高涂层耐腐蚀性。2.利用PVD制备TiN、CrN和DLC单层薄膜:用真空阴极电弧离子镀制备TiN、CrN和DLC三种单层薄膜,研究发现CrN薄膜产生了CrN物相,TiN薄膜特征峰择优取向明显结晶度高,DLC薄膜则为非晶态薄膜。分析三种单层薄膜的力学性能,DLC薄膜的硬度和抵抗外载荷能力最高,这是因为作为非晶态薄膜缺陷和畸变较多所以硬度高塑性较高,其次就是TiN和CrN薄膜,TiN薄膜表面光滑并且薄膜质量优于CrN薄膜,所以性能优于CrN薄膜。3.利用PVD制备以Co基涂层为基础的TiN、CrN和DLC复合薄膜:首先用真空蒸发和真空阴极电弧离子镀制备以Co基涂层为基础的TiN复合薄膜,比较了力学性能,结果表明:用阴极电弧离子镀制备的TiN薄膜质量优于用真空蒸发制备的TiN薄膜,硬度、耐磨性和抵抗外载荷变形能力都是高于真空蒸发制备的TiN薄膜;其次比较同种技术下制备的TiN、CrN和DLC复合薄膜力学性能,结果表明:DLC作为非晶态薄膜其综合性能最好,其次就是CrN和TiN薄膜。综上所述,复合薄膜质量优于真空阴极电弧离子镀制备的单层薄膜,塑性变形能力得到提升,组织较为致密耐腐蚀性能好,并且复合薄膜其硬度、耐磨性能都优于单层Co基合金涂层,所以复合薄膜的综合力学性能是最好的。相比较氧乙炔热喷涂制备的Co基涂层,PVD技术能够更好的降低工业成本和优化涂层质量。