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工艺参数对等离子增强磁控溅射TiAlN涂层微观结构及性能的影响

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材料导报 2022年第24期36卷 47-52页

作者：张亚南周子超张豪肖宇琦邓娜付彬芸多树旺江西科技师范大学材料与机电学院江西省材料表面工程重点实验室南昌330013

本工作引入正交试验法,以等离子增强磁控溅射TiAlN涂层的润湿性为试验指标,探究靶功率、Ar/N_(2)流量比和基体负偏压对试验指标的影响规律。使用能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和原子力显微镜(AFM)分析... 详细信息

本工作引入正交试验法,以等离子增强磁控溅射TiAlN涂层的润湿性为试验指标,探究靶功率、Ar/N_(2)流量比和基体负偏压对试验指标的影响规律。使用能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和原子力显微镜(AFM)分析涂层的化学成分、晶体结构、微观形貌和表面粗糙度。通过测试接触角表征涂层的润湿性。极差分析结果表明,Al靶功率和Ar/N_(2)流量比对涂层中Al含量的影响最敏感,基体负偏压是决定涂层的晶粒度、粗糙度及接触角的最主要因素。S2工艺制备的涂层具有最佳的疏水性能,接触角为120.25°。S9工艺制备的涂层具有最强的亲水性能,接触角仅为15.15°。研究结果可为工程应用涂层工艺的选择提供一定的参考依据和分析思路。

关键词：正交试验法等离子增强磁控溅射 TiAlN涂层接触角

偏压对TiAlN涂层微观结构、力学和摩擦学性能的影响

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2022年第11期32卷 3596-3609页

作者：曹红帅刘福家李好罗文忠齐福刚卢立伟赵镍欧阳晓平湘潭大学材料科学与工程学院湘潭411105 湘潭大学低维材料及应用技术教育部重点实验室湘潭411105 湖南科技大学难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室湘潭411201

采用磁过滤真空阴极弧在ZL109合金表面沉积由TiAl和tialn组成的tialn多层涂层,并系统研究偏压对涂层微观结构和性能的影响。结果表明,涂层具有以tialn相为主的多相结构。随着偏压的增大,由于原子迁移率和晶格畸变的增加,tialn择优取向由... 详细信息

采用磁过滤真空阴极弧在ZL109合金表面沉积由TiAl和tialn组成的tialn多层涂层,并系统研究偏压对涂层微观结构和性能的影响。结果表明,涂层具有以tialn相为主的多相结构。随着偏压的增大,由于原子迁移率和晶格畸变的增加,tialn择优取向由(200)晶面向(111)晶面转变。同时,涂层的硬度、弹性模量和附着力表现出相同的变化趋势,即先增大后减小。当偏压为75 V时,TiAlN涂层具有最高的硬度(~30.3 GPa)、弹性模量(~229.1 GPa)、附着力(HF 2)和最低的磨损率(~4.44×10^(−5)mm^(3)/(N·m))。与未涂覆ZL109合金相比,TiAlN涂层合金表面的力学和摩擦学性能得到有效提高。

关键词： TiAlN涂层磁过滤真空阴极弧偏压微观结构力学性能磨损

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Al含量对TiAlN涂层结构及性能的影响

表面技术 2022年第2期51卷 29-38页

作者：王北川陈利中南大学粉末冶金国家重点实验室长沙410083 株洲钻石切削刀具股份有限公司湖南株洲412007

目的系统研究Al含量对TiAlN涂层结构以及硬度、热稳定性、抗氧化性能和耐腐蚀性能的影响。方法利用阴极弧蒸发技术,采用Ti、Ti_(50)Al_(50)、Ti_(40)Al_(60)和Ti_(33)Al_(67)靶材制备出4种Ti_(1‒x)Al_(x)N涂层。分别利用能量色散X射线... 详细信息

目的系统研究Al含量对TiAlN涂层结构以及硬度、热稳定性、抗氧化性能和耐腐蚀性能的影响。方法利用阴极弧蒸发技术,采用Ti、Ti_(50)Al_(50)、Ti_(40)Al_(60)和Ti_(33)Al_(67)靶材制备出4种Ti_(1‒x)Al_(x)N涂层。分别利用能量色散X射线光谱仪(EDX)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、纳米压痕仪、热重分析仪(TGA)和以及电化学工作站,分析了涂层的成分、微观结构、力学性能、热稳定性、抗氧化性和耐蚀性。结果4种Ti_(1‒x)Al_(x)N涂层均为面心立方结构,硬度由TiN的~26.4 GPa上升到Ti_(0.38)Al_(0.62)N的~32.7 GPa。Ti_(0.55)Al_(0.45)N和Ti_(0.44)Al_(0.56)N涂层在1100℃退火后,可检测到六方铅锌矿结构(w-)AlN相,而Ti_(0.38)Al_(0.62)N涂层在1000℃退火后便可检测到w-AlN相。Ti_(0.55)Al_(0.45)N和Ti_(0.44)Al_(0.56)N涂层的硬度在900℃退火后达到最高值,分别为~32.8 GPa和~33.3 GPa;而Ti_(0.38)Al_(0.62)N涂层的硬度在800℃时达到最高值,为~36.2 GPa。在800℃氧化20 h后,TiN已经被完全氧化,Ti_(0.55)Al_(0.45)N、Ti_(0.44)Al_(0.56)N和Ti_(0.38)Al_(0.62)N的氧化层厚度分别为~3.5、~0.6、~0.6μm。Ti_(0.55)Al_(0.45)N、Ti_(0.44)Al_(0.56)N、Ti_(0.38)Al_(0.62)N在抛物线氧化阶段的氧化激活能分别为530.9、370、375.9 kJ/mol。TiN、Ti_(0.55)Al_(0.45)N、Ti_(0.44)Al_(0.56)N、Ti_(0.38)Al_(0.62)N涂层的极化电阻分别为4.59×10^(4)、1.97×10^(3)、3.71×10^(3)、4.42×10^(4)Ω·cm^(2)。结论x涂层保持单相立方结构,且晶格常数和晶粒尺寸随Al含量的增加而减小。Al含量的提高优化了TiAlN涂层的力学性能,促进了涂层的热分解。Ti_(0.44)Al_(0.56)N涂层具有最优的抗氧化性能。另外,Al的加入降低了TiN涂层的抗腐蚀性能,但是含Al涂层的抗腐蚀性随Al含量的增加而增大。

关键词： TiAlN涂层硬度热稳定性抗氧化性能耐腐蚀性能

溅射功率对直流磁控溅射TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响

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机械工程材料 2024年第5期48卷 116-122页

作者：孙琛扬王疆瑛张高会徐欣中国计量大学材料与化学学院杭州310018 台州市计量技术研究院台州317700

在室温下采用直流磁控溅射技术在304L不锈钢表面制备TiAlN涂层,研究了溅射功率(80,100,120,140,160 W)对TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响。结果表明:TiAlN涂层由面心立方结构的tialn相以及少量TiN和AlN相组成。随着溅射功率的增加,TiAl... 详细信息

在室温下采用直流磁控溅射技术在304L不锈钢表面制备TiAlN涂层,研究了溅射功率(80,100,120,140,160 W)对TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响。结果表明:TiAlN涂层由面心立方结构的tialn相以及少量TiN和AlN相组成。随着溅射功率的增加,TiAlN涂层变厚,表面晶粒更加致密,但溅射功率160 W下制备的涂层表面大颗粒较多,晶粒尺寸先变小后变大,结合力先增大后减小,平均摩擦因数和比磨损率均整体呈先减小后增大的趋势;溅射功率140 W下制备的涂层具有最小的晶粒尺寸、最强的结合力、最小的平均摩擦因数和比磨损率,磨痕较平整且仅有少量磨屑,磨损机制为轻微的黏着磨损。

关键词： TiAlN涂层直流磁控溅射溅射功率摩擦学性能

偏压梯度TiAlN涂层高温氧化与抗高温粒子冲蚀性能

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功能材料 2023年第12期54卷 12163-12168页

作者：曹鑫熊能李聪健王静静张鑫孙小川中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所四川绵阳621000 陆军工程大学研究生院南京210007

采用连续偏压的沉积工艺与磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面成功制备偏压梯度TiAlN涂层,对涂层的高温氧化性能与抗高温粒子冲蚀性能分别进行了考核,并对考核前后涂层的表面形貌、成分、相结构变化,以及冲蚀损伤特征进行了测试与表... 详细信息

采用连续偏压的沉积工艺与磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面成功制备偏压梯度TiAlN涂层,对涂层的高温氧化性能与抗高温粒子冲蚀性能分别进行了考核,并对考核前后涂层的表面形貌、成分、相结构变化,以及冲蚀损伤特征进行了测试与表征。结果表明,400℃高温氧化后偏压梯度TiAlN涂层表面颜色加深,且保持完整平滑,无明显损伤;偏压涂层表面氧原子分数为20.9%,质量增加为0.81μg/mm^(2),偏压涂层结构更加致密,抑制氧元素向内扩展,抗氧化性能较bias-50 TiAlN涂层更佳。400℃下高温粒子冲蚀条件下,偏压梯度TiAlN涂层在30°与90°冲蚀角度下的冲蚀率分别为0.26 mg/g、0.24 mg/g,低于bias-50 TiAlN涂层,表现出更加优异的抗高温粒子冲蚀性能;在400℃条件下,钛合金基体与TiAlN涂层未发生明显的氧化损伤,高温粒子冲蚀损伤均为冲蚀主导机制。

关键词： TiAlN涂层偏压梯度结构 Ti-6Al-4V合金高温氧化性能高温粒子冲蚀性能

Al 含量对 tialn 涂层的结构及性能的影响

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表面技术 2022年

作者：王北川陈利中南大学粉末冶金国家重点实验室株洲钻石切削刀具股份有限公司

目的系统研究Al含量对TiAlN涂层结构以及硬度、热稳定性、抗氧化性能和耐腐蚀性能的影响。方法利用阴极弧蒸发技术采用Ti、Ti;Al;、Ti;Al;和Ti;Al;靶材制备出四种Ti;Al;N涂层。分别利用能量色散X射线光谱仪（EDX）、X射线衍射仪（XRD）... 详细信息

目的系统研究Al含量对TiAlN涂层结构以及硬度、热稳定性、抗氧化性能和耐腐蚀性能的影响。方法利用阴极弧蒸发技术采用Ti、Ti;Al;、Ti;Al;和Ti;Al;靶材制备出四种Ti;Al;N涂层。分别利用能量色散X射线光谱仪（EDX）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、纳米压痕仪、热重分析仪（TGA）和以及电化学工作站分析了涂层的成分、微观结构、力学性能、热稳定性、抗氧化性和耐蚀性。结果四种Ti;Al;N涂层均为面心立方结构，硬度由TiN的～26.4GPa上升到Ti;Al;N的～32.7GPa。Ti;Al;N和Ti;Al;N涂层在1100℃退火后可检测到六方铅锌矿结构（w-）AlN相，而Ti;Al;N涂层在1000℃退火后便可检测到w-AlN相。Ti;Al;N和Ti;Al;N涂层在900℃退火后达到硬度最高值～32.8GPa和～33.3GPa，而Ti;Al;N涂层在800;达到硬度最高值～36.2GPa。在800℃氧化20h后，TiN已经被完全氧化，Ti;Al;N、Ti;Al;N和Ti;Al;N的氧化层厚度分别为～3.5μm、～0.6μm和～0.6μm。Ti;Al;N、Ti;Al;N和Ti;Al;N在抛物线氧化阶段的氧化激活能分别为530.9kJ/mol、370kJ/mol和375.9kJ/mol。TiN、Ti;Al;N、Ti;Al;N和Ti;Al;N涂层的极化电阻分别为4.59×10;Ωcm;、1.97×10;Ωcm;、3.71×10;Ωcm;和4.42×10;Ωcm;。结论在x涂层保持单相立方结构，且晶格常数和晶粒尺寸随Al含量上升而下降。Al含量的提高优化了TiAlN涂层的力学性能，促进了涂层的热分解。Ti;Al;N具有最优的抗氧化性能。另外，Al的加入降低了TiN涂层的抗腐蚀性能，但是含Al涂层抗腐蚀性随Al 含量增加而上升。

关键词： TiAlN涂层硬度热稳定性抗氧化性能耐腐蚀性能

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tialn基涂层的研究现状及展望

热加工工艺 2023年

作者：何静张而耕黄彪周琼陈强梁丹丹上海应用技术大学上海物理气相沉积(PVD)超硬涂层及装备工程技术研究中心

TiAlN涂层由于高硬度、良好的热稳定性等优异性能被广泛应用于刀具、零部件表面作为耐磨防护层。但随切削温度超过1000℃高温合金等难加工材料的应用，TiAlN涂层已不能满足需求。而通过元素掺杂可以改善TiAlN涂层的抗氧化性、耐磨性以... 详细信息

TiAlN涂层由于高硬度、良好的热稳定性等优异性能被广泛应用于刀具、零部件表面作为耐磨防护层。但随切削温度超过1000℃高温合金等难加工材料的应用，TiAlN涂层已不能满足需求。而通过元素掺杂可以改善TiAlN涂层的抗氧化性、耐磨性以及提高其硬度。介绍了tialn基涂层的制备技术，并对各制备技术的原理以及优缺点进行了描述。综述了常见的Si、Cr元素掺杂tialn四元以及五元涂层的研究现状，从多角度阐述了元素掺杂对TiAlN涂层增硬、提高耐氧化性以及耐磨性的机理，并归纳了目前掺杂tialn基涂层的不足。最后对tialn基涂层进行了展望，以期为tialn基涂层的进一步应用提供指导。

关键词： TiAlN涂层制备技术硬度抗氧化性耐磨性

U71Mn钢轨铣削用PVD-TiAlN涂层刀片失效分析

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表面技术 2020年第3期49卷 300-308页

作者：王梦超王丽君陈辉西南交通大学成都610031 成都工业职业技术学院成都610218

目的分析研究PVD-TiAlN涂层刀片铣削钢轨(U71Mn)后的失效行为,确定涂层刀片铣削U71Mn的磨损机制及失效机理,为进一步改进铣削U71Mn用涂层刀片的使用性能提供指导。方法采用多弧离子镀技术在硬质合金基体刀片上制备了厚度约2.13μm的TiAl... 详细信息

目的分析研究PVD-TiAlN涂层刀片铣削钢轨(U71Mn)后的失效行为,确定涂层刀片铣削U71Mn的磨损机制及失效机理,为进一步改进铣削U71Mn用涂层刀片的使用性能提供指导。方法采用多弧离子镀技术在硬质合金基体刀片上制备了厚度约2.13μm的TiAlN涂层,通过扫描电子显微镜、能谱仪、金相检测仪等仪器,检测了刀片基体和涂层的显微组织和金相结构。采用立式铣床对U71Mn进行铣削,通过扫描电子显微镜观察失效刀片前刀面、刃口和后刀面的微观形貌,结合能谱仪微区成分分析,确定涂层刀片的磨损机制和失效机理。结果通过金相检测仪和扫描电子显微镜检测,YG10细晶粒硬质合金基体无明显组织缺陷。采用多弧离子镀制备的涂层膜基结合力等级为HF1,具有较好的膜基结合强度。失效刀片的刃口处存在贯穿前刀面、刃口和后刀面的裂纹,并且刃口区域的裂纹内部有被加工材料的填充物。后刀面裂纹尖端有涂层的微崩裂,前刀面的磨损带边界较后刀面磨损带边界平齐。刃口附近的涂层表面上出现了相互交联的裂纹。失效刃口多出现锯齿形缺口,缺口内部有大量的碎屑填充物,缺口对应的后刀面处分布着深浅不同的沟槽。磨损的刃口上粘接有大量的被加工材料。结论刀片的磨损机制有磨粒磨损、粘接磨损和氧化磨损。另外,刃口的崩裂在刀片失效过程中也扮演着重要角色,崩裂的缺口会为硬质颗粒提供存储空间,从而加剧磨料磨损,在多种磨损机制共同作用下,刀片刃口最终被磨耗而失效。可通过提高基体的强韧性、合理的刃口设计、改善涂层的韧性和结合力、提高涂层的抗氧化性等方面,提高涂层刀片铣削U71Mn的性能。

关键词： TiAlN涂层 U71Mn 涂层刀片失效分析磨损机制失效机理

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离子镀制备TiAlN涂层的沉积机理研究

离子镀制备TiAlN涂层的沉积机理研究

作者：王靖文成都大学

学位级别：硕士

TiAlN涂层是目前常见的涂层之一,本文通过数值模拟的方法研究运用离子镀技术制备此种涂层的沉积机理。在已有的涂层制备中,涂层制备过程中随机生成的微米级微粒一直是影响涂层性能的重要影响因素,虽然目前也有关于微米级微粒的研究工作... 详细信息

TiAlN涂层是目前常见的涂层之一,本文通过数值模拟的方法研究运用离子镀技术制备此种涂层的沉积机理。在已有的涂层制备中,涂层制备过程中随机生成的微米级微粒一直是影响涂层性能的重要影响因素,虽然目前也有关于微米级微粒的研究工作,但研究重点一般在于改变工艺参数以消除微米级微粒的产生,但就其具体在基体上的影响机理的研究较少。原因是涂层制备过程中,微米级微粒产生原因复杂,产生位置随机,并且与其余粒子的尺寸差异较大,进行微米级微粒对涂层性能的影响的机理研究时比较困难。尽管目前TiAlN涂层制备技术越来越完善,但对其制备的机理仍需进一步研究。本文旨在运用以数值模拟为主,实验观测为辅的方法研究运用电弧离子镀在45钢上制备TiAlN涂层的过程,模拟了沉积过程中原子层面的原子运动行为,模拟了单一的微米级微粒冲击到基体造成的热变形,冲蚀行为,模拟了多粒子的沉积行为,结合实验涂层制备研究了涂层的沉积形貌。主要的结论如下:1.运用分子动力学模拟研究了电弧离子镀原子层面的沉积过程,得出Ti原子沉积到基体表面时,进入基体表层,少量基体原子逸出,晶体原子间键长约为2.5(?)。在Ti原子周围2.5(?)处有最大几率发现其它粒子,沉积中Ti原子周围的其余原子密度最大值为8。2.运用J-C本构模型结合任意拉格朗日法和耦合欧拉拉格朗日法研究了微米级单一微粒撞击基体表面,粒子速度越大,对涂层造成形貌影响越大;Ti粒子的高速沉积将使基体产生火山口形貌,Al粒子只使基体表面产生少量压缩变形,增加Ti粒子动能使基体变形量逐渐增大,自身变形量也逐渐增大,增加Al粒子的初始动能,Al粒子通过自身变形吸收能量,对基体表面形貌影响较小;Ti,Al两种粒子的初始温度升高,粒子更多动能转化为弹性能,使粒子对基体造成的影响变小,粒子产生更大的压缩变形。3.通过python建模,运用J-C本构模型结合耦合欧拉拉格朗日法模拟涂层制备工艺中多粒子大颗粒对基体的撞击及与实际沉积工艺相结合分析大颗粒对涂层表面形貌影响,得出多粒子大颗粒撞击基体表面,小粒子将随着微米级大颗粒的沉积在其表面取向择优生长,微米级微粒之间存在明显分界;微米级微粒是涂层中的不连续点,但直接面对裂痕时,能一定程度上阻碍裂痕生长。进行多粒子沉积模拟,温度由200°上升至400°时,涂层孔隙率下降,涂层更易成为一个整体。

关键词：物理气相沉积数值模拟粒子冲击 TiAlN涂层