硬质薄膜技术与表面防护专栏

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成分调控对磁控溅射AlCrNbSiTi高熵合金涂层的结构及性能影响研究

刘杰, 刘琰, 杨兵

材料保护. 2025, 58(11): 1-10. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0183

摘要 (58) PDF全文 (38)

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高熵合金(HEAs)涂层因其优异的力学性能、耐磨性能、耐腐蚀性能以及抗高温氧化性能等成为防护涂层的潜在候选材料。然而，HEAs涂层不同元素间的相互作用及协同机理尚不清楚。为研究高熵合金涂层不同元素间的相互作用和协同机理，采用磁控溅射技术利用不同成分的靶材制备了4种不同成分比的AlCrNbSiTi高熵合金涂层，并利用SEM、AFM、EDS、XRD、球盘式摩擦实验机和电化学工作站详细研究了涂层的形貌、化学成分、结构、力学性能和电化学腐蚀行为。试验结果表明，Cr含量的提高会导致涂层原子尺寸差异增大，降低涂层内部排列的有序性； Cr含量和Nb含量的提高有利于强化涂层的划痕韧性，大幅降低涂层的磨损率；涂层内部Ti原子可以在钝化膜/溶液界面及涂层/钝化膜界面上提供双层保护机制，提高钝化膜的稳定性，从而强化涂层耐腐蚀性能。

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AlCrSiN/AlTiN纳米多层涂层微观结构和力学、摩擦学性能研究

游世隆, 管梦雪, 范其香, 曹凤婷, 刘艳梅, 王铁钢

材料保护. 2025, 58(11): 11-19. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0184

摘要 (23) PDF全文 (20)

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为研究调制周期对AlCrSiN/AlTiN纳米多层涂层性能的影响，分别采用电弧离子镀、直流磁控溅射及二者复合沉积技术制备了AlTiN、AlCrSiN单层涂层与2种不同调制周期的AlCrSiN/AlTiN纳米多层涂层，采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪等设备表征了涂层的物相结构、微观形貌、力学和抗摩擦磨损性能。研究结果表明，与具有(111)择优取向的AlTiN、AlCrSiN单层涂层相比，AlCrSiN/AlTiN纳米多层涂层形成了具有(200)择优取向的fcc-(Al，Cr，Ti)N固溶体。 2种多层涂层的表面粗糙度低于单层涂层，且随着调制周期增加，涂层的表面质量逐渐改善，层间界面更加平整清晰。力学性能测试表明，磁控溅射制备的AlCrSiN涂层硬度最低，为16.57 GPa，而调制周期(Λ)为106 nm的多层涂层具有最高硬度，高达36.63 GPa，说明采用多层结构设计可提升涂层的硬度。 Λ＝106 nm的涂层比Λ＝91 nm的涂层具有更少的界面，其硬度却更高，这可能与其平整的界面形貌和更低的表面粗糙度有关。此外，Λ ＝106 nm的多层涂层具有最高的抗塑性变形能力(H3/E*2值，0.147 GPa)，最高的结合强度(58.29 N)和最低的磨损率，5.3×10-6 mm3/(N·m)，说明其力学性能与抗摩擦磨损性能最优。本研究揭示采用多层结构设计，适当调整调制周期可以显著提升涂层的力学性能和抗摩擦磨损性能。研究成果对AlCrSiN/AlTiN多层涂层的性能提升与工程化应用具有指导意义。

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硬质合金涂层断裂韧性对其摩擦学性能的影响研究

范明祯, 罗朝勇, 王辉, 顾宝军, 董雪, 张岩, 杜鹏程

材料保护. 2025, 58(11): 20-27. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0185

摘要 (28) PDF全文 (6)

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为研究涂层断裂韧性对其摩擦学性能的影响，采用超音速火焰喷涂(HVOF)的方法在30CrMnSiA合金钢基体表面喷涂Cr3C2-NiCr和WC-17Co 2类材料涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、维氏硬度计等分析了涂层的显微结构及力学性能；采用多功能摩擦磨损试验机测试了Cr3C2-NiCr和WC-17Co 2类涂层与30CrMnSiA摩擦副在干摩擦条件下的摩擦学性能。结果表明:Cr3C2-NiCr和WC-17Co涂层的显微硬度接近，分别为1 068 HV0.3和1 126 HV0.3；然而， Cr3 C2-NiCr涂层的断裂韧性为2.45 MPa·m1/2，明显低于WC-17Co涂层的断裂韧性4.66 MPa·m1/2；在干摩擦工况下Cr3C2-NiCr较WC-17Co涂层更容易疲劳开裂，导致粒子脱落形成磨粒，对涂层及摩擦副产生严重的磨粒磨损；Cr3 C2-NiCr的比磨损率为1.23×10-7 mm3/(N·m)，高于WC-17Co涂层的比磨损率[0.93×10-7 mm3/(N·m)]；与Cr3C2-NiCr涂层对磨的30CrMnSiA摩擦副的磨损失重为9.82 mg，高于与WC-17Co涂层对磨时的30CrMnSiA摩擦副磨损失重(8.43 mg)。

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偏压对高功率脉冲磁控溅射AlTiSiN涂层结构与性能的影响

赵鑫杰, 贺磊, 许亿, 夏原, 李国栋

材料保护. 2025, 58(11): 28-35. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0186

摘要 (11) PDF全文 (1)

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为了提高AlTiSiN纳米复合涂层的力学性能和耐腐蚀性，利用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)在Ti表面制备AlTiSiN涂层，通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕测试仪、电化学工作站等仪器，分析了不同偏压对AlTiSiN涂层的微观形貌、力学性能和耐腐蚀性的影响。结果表明: 随着制备偏压的提高，AlTiSiN涂层的厚度逐渐降低，其沉积速率从18.33 nm/min降至13.70 nm/min；基体相(α-Ti)显示出显著的衍射峰强度，在2θ≈27°处的衍射峰对应于β-Si3N4的(200)晶面，衍射峰显著宽化；涂层的纳米硬度和杨氏模量出现先升高后降低的现象，在偏压160 V时达到最大值16.59 GPa、233.33 GPa；当偏压为160 V时，所制备的AlTiSiN涂层具有最低的腐蚀电流密度(1.04×10-4 mA/cm2)、最高的极化电阻(2.77×105 Ω·cm2)和抑制效率(98.74%)，其耐腐蚀性能最优。偏压对涂层的微观结构、力学性能和耐腐蚀性有显著影响。在160 V偏压下利用HiPIMS技术制备的AlTiSiN涂层可以有效提高涂层的表面质量及其力学性能。采用HiPIMS制备的AlTiSiN涂层具有较低的腐蚀电流密度、较高的极化电阻和抑制效率，其耐腐蚀性能得到提升。

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乙炔流量对Zr-B-C涂层微观结构和力学性能的影响

许梦娇, 刘艳梅, 尹照星, 石壮, 庄思明, 王鹏, 王铁钢

材料保护. 2025, 58(11): 36-44. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0187

摘要 (46) PDF全文 (3)

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为提升ZrB2涂层的韧性，利用高功率脉冲磁控与脉冲直流磁控溅射复合技术，在ZrB2涂层中加入C元素，调节乙炔流量，制备了具有不同碳含量的Zr-B-C涂层。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对涂层的物相组成和微观形貌进行表征，结合纳米压痕仪和划痕仪系统分析了涂层的力学性能；通过摩擦磨损实验机和超景深显微镜系统研究了涂层的摩擦磨损性能及表面磨损机制。结果表明:随着乙炔流量的不断增加，Zr-B-C涂层中的碳含量增多，涂层由疏松的柱状晶结构转变为致密的纳米复合结构；涂层的硬度、磨损率、临界载荷和残余应力均先降低再升高最后再降低，摩擦系数、H/E和H3/E*2先升高后降低，弹性模量呈现下降趋势。当乙炔流量为10 mL/min时， Zr-B-C涂层展现出优异的摩擦磨损性能，其硬度、摩擦系数及磨损率分别为23 GPa、0.909和2.3×10-7 mm3/(mm·N)。

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采用偏压与氮气交互作用策略构建高硬度的Ti₃AlN涂层

马三保, 贾丹, 黄瑞华, 徐正田, 施志军, 邢晓磊, 杨庆祥, 周野飞

材料保护. 2025, 58(11): 45-52. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0188

摘要 (10) PDF全文 (5)

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为了探究不同偏压和氮气气流量下Ti3AlN涂层的微观结构和性能，通过真空阴极沉积技术制备了不同偏压和氮气气流量的Ti3AlN涂层，并对其沉积速率、表面粗糙度、硬度、结合力和摩擦系数进行了表征。结果表明:随着氮气气流量的增加，涂层沉积速率增加，表面粗糙度下降，硬度和结合力提高，摩擦系数略有下降。随着偏压的增加，涂层沉积速率先增加后下降，表面粗糙度先上升后下降，硬度和结合力提高，摩擦系数在偏压为200 V时较大。在偏压100 V且氮气气流量为60 mL/min的条件下制备的Ti3AlN涂层，其结合力达到最优，为72.3 N，同时摩擦系数达到最低。本研究结果为优化Ti3AlN涂层制备工艺提供了理论依据。

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基底偏压对HiPIMS沉积Cr/CrN/WC涂层结构和摩擦学性能的影响

吴美玲, 酆毅, 姜其立, 车智强, 杜宇康, 杨龙岗, 郎小月, 王克胜, 欧伊翔

材料保护. 2025, 58(11): 53-61. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0189

摘要 (10) PDF全文 (0)

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为了系统探究基底偏压对高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)制备Cr/CrN/WC复合涂层的结构及性能的调控规律，采用高功率脉冲磁控溅射在AISI 304不锈钢基体上沉积Cr/CrN/WC复合涂层，系统探究基底偏压(0～-300 V)对涂层结构、力学及摩擦学性能的影响。通过X射线衍射仪(XRD)与扫描电子显微镜(SEM)表征发现，随偏压增至-200 V，β-WC1-x(200)晶面择优取向增强，颗粒细化且柱状结构弱化，致密度显著提升；而-300 V时因离子过轰击诱发晶格缺陷致密度下降。力学性能测试表明，-200 V涂层实现强韧协同优化，纳米硬度(43.25 GPa)与有效杨氏模量(474.77 GPa)达峰值，硬度/模量比(H/E* ＝ 0.091)与抗塑性变形参数(H3/E*2 ＝0.359 GPa)较0 V样品分别提高19.7%和91.0%，洛氏C压痕测试进一步证实其结合力达HF1级(最优)，压痕无裂纹分层，归因于高H/E*的弹性应变协调性及高H3/E*2的界面应力抑制。摩擦学性能测试结果显示:-200 V涂层因高硬度及低粗糙度，摩擦系数最低(0.42)且磨损率最小[1.39×10-7 mm3/(N·m)]，磨损机制为轻微氧化-黏着磨损；0 V与-300 V涂层磨损率较高[2.78×10-7 mm3/(N·m)，1.85×10-7 mm3/(N·m)]，磨损机制依次为磨粒-氧化复合磨损及软相诱导磨粒磨损。综上，-200 V偏压通过颗粒细化与结构致密化实现硬度-韧性-结合力-耐磨性的四元协同优化；过高偏压(-300 V)时则因晶格损伤与界面弱化导致涂层性能衰退。

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