沉积偏压对电弧离子镀CrAlSiON涂层组织结构和性能的影响

摘要

纳米复合涂层因具有超高硬度和优异的高温稳定性备受关注，但由于在制备过程中不可避免的会含有氧杂质，导致涂层性能不稳定，限制了其广泛应用。而且目前关于氧含量对涂层性能和结构影响的研究并不是很多。另一方面，沉积粒子的能量对涂层的结构和性能也有很大影响，因此在实际制备过程中，通常通过调节沉积偏压来控制沉积粒子的能量。
　　本文采用多弧离子镀在硬质合金上制备CrAlSiON涂层，通过改变反应气体中O2和N2的流量比来控制涂层中氧含量。通过SEM、XRD、纳米压痕和划痕测试等方法系统研究不同氧含量对涂层的显微结构、力学性能、摩擦磨损性能;利用真空退火测试研究涂层的高温热稳定性。在此基础上，通过改变沉积偏压，研究沉积粒子的能量对涂层组织结构和性能影响的规律，以及涂层在高温环境过程中结构性能的演化机理。
　　1.改变O2/O2+N2比例从0至18％制备CrAlSiON涂层，获得含氧量0至62.19at.％，成功实现了涂层氧含量的可控。涂层中主要为CrN和Al2O3晶体，较低含氧时涂层的表面颗粒、孔洞等缺陷较少，表面粗糙度较小;随着氧含量增加，涂层的硬度逐渐降低，氧含量为48.4at.％时硬度仅为21.43GPa，之后氧含量继续增大，硬度值保持在这一水平，涂层的弹性模量与H3/E*2的变化趋势与此类似;较高含氧时，涂层的结合强度比较低含氧时差，含氧为62.19at.％时临界载荷为45.48N，而20.22at.％时为68.17N;高温摩擦磨损实验中，涂层的主要磨损形式为磨粒磨损和粘着磨损，涂层均被磨穿;随着退火温度升高，涂层中因为相分解产生了六方结构的Cr2N相，这导致涂层的硬度、弹性模量、H3/E*2和结合强度等性能逐渐变差。
　　2.通入O2/O2+N2比例为2％，改变偏压从-60V至-200V制备CrAlSiON涂层。涂层中氧含量为22at.％至25at.％，且较高偏压时制备的涂层比较低偏压时氧含量稍多，另外较高偏压制备的涂层表面质量较好，粗糙度较小;随着偏压升高，涂层的硬度呈先增大再减小然后保持平稳的变化趋势，-80V时获得最大硬度为33.69GPa，涂层弹性模量和H3/E*2的变化趋势与此类似;涂层的结合强度随着偏压升高而缓慢增大，临界载荷由63.58N增大至74.36N;在不同转速时的常温摩擦磨损试验中，磨损率变化均为较低偏压制备的涂层比较高偏压制备的涂层小，-80V时制备的涂层获得最小磨损率;高温摩擦磨损实验中，三个温度下都是较高偏压制备的涂层磨损更为严重，而在-80V和-100V时磨损率最小;随着退火温度升高，涂层中因为相分解产生了六方结构的Cr2N相，这导致涂层的硬度、弹性模量、H3/E*2和结合强度等性能逐渐降低。
　　3.通入O2/O2+N2比例为12％，改变偏压从-60V至-200V制备CrAlSiON涂层。涂层中的氧含量为55at.％至60at.％，随着偏压升高，氧含量先增多后减少;涂层中主要为CrN相和Al2O3相，且在较高偏压时峰强度有所降低，晶粒尺寸呈增大趋势;随着偏压升高，涂层的硬度、弹性模量、H3/E*2和结合强度呈逐渐增大趋势;常温摩擦磨损试验中，较低偏压制备的涂层被磨穿，而较高偏压制备的涂层耐磨性较好，未被磨穿;经过退火处理后，随着温度升高，涂层的硬度、弹性模量和H3/E*2呈缓慢增大趋势，而结合强度则逐渐降低。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 含氧涂层的发展与现状

1．3 PVD硬质涂层的制备方法

1．4 薄膜的生长机理

1．5 课题来源与主要研究内容

第二章 涂层的研究制备和分析方法

2．1 研究路线

2．2 涂层的制备

2．3 涂层的结构与性能分析方法

第三章 不同含氧量的CrAlSiON涂层分析

3．1 涂层的成分与物相

3．2 涂层的形貌与结构

3．3 涂层的硬度、弹性模量与H3／E*2

3．4 涂层的结合强度

3．5 涂层的高温摩擦磨损性能

3．6 涂层的高温热稳定性

3．7 本章小结

第四章 较低含氧下不同偏压制备的CrAlSiON涂层分析

4．1 涂层的成分与物相

4．2 涂层的形貌与结构

4．3 涂层的硬度、弹性模量与H3／E*2

4．4 涂层的结合强度

4．5 涂层的摩擦磨损性能

4．6 涂层的高温热稳定性

4．7 本章小结

第五章 较高含氧下不同偏压制备的CrAlSiON涂层分析

5．1 涂层的成分与物相

5．2 涂层的形貌与结构

5．3 涂层的硬度、弹性模量与H3／E*2

5．4 涂层的结合强度

5．5 涂层的常温摩擦磨损性能

5．6 涂层的高温热稳定性

5．7 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文及申请的专利

声明

致谢