元素扩散对Cr_(2)O_(3)陶瓷薄膜结构和摩擦学性能的影响

摘要

目的通过高温热处理,不同基材会发生不同的组织演变,研究了组织演变对基材中金属元素高温扩散的影响,从而判断其对多弧离子镀制备Cr_(2)O_(3) 陶瓷薄膜形貌、结构以及摩擦学性能的影响。方法利用多弧离子镀技术在不同基材表面(Inconel 718合金、IC10合金、45钢、316不锈钢)沉积Cr_(2)O_(3) 薄膜。使用扫描电子显微镜(SEM)和冷场发射扫描电镜(FESEM)分析了基材和薄膜高温退火前后的表面形貌,并且利用EDS分析了基材和薄膜表面的元素含量变化。采用X射线衍射仪(XRD)对Cr_(2)O_(3) 薄膜进行物相分析,使用往复摩擦磨损试验仪、三维轮廓仪以及扫描电子显微镜分析了基材和薄膜退火前后的摩擦学性能。结果热处理后基材中的元素会扩散到其表面,Inconel 718合金、IC10合金和45钢热处理后,其摩擦因数降低。在Inconel 718合金和316不锈钢表面沉积的Cr_(2)O_(3) 薄膜高温退火后,基材中的金属元素沿着Cr_(2)O_(3) 薄膜晶界扩散至薄膜表面,并与大气中的O_(2)反应形成三元氧化物。Cr_(2)O_(3) 薄膜经1000℃退火后,Inconel 718合金中的Ti元素扩散至Cr_(2)O_(3) 薄膜表面形成类网状凸起结构,且薄膜表面形成CrTiO_(3)和Cr_(2)O_(3) 混合相,316不锈钢中的Mn元素扩散至Cr_(2)O_(3) 薄膜表面形成尖晶石结构的MnCr2O4相,45钢表面上沉积的Cr_(2)O_(3) 薄膜在850℃退火后薄膜表面形成以Fe元素为主的大颗粒,薄膜表面物相为Fe2O3和Cr_(2)O_(3) 混合相,IC10合金表面上沉积的Cr_(2)O_(3) 薄膜表面没有发现基材中的金属元素,主要物相为Cr_(2)O_(3) 相。Cr_(2)O_(3) 薄膜退火后摩擦因数降低至0.45左右。结论Inconel 718合金、45钢以及316不锈钢中的金属元素扩散至薄膜表面时,其对Cr_(2)O_(3) 薄膜的物相组成、表面形貌以及摩擦学性能有很大的影响。IC10合金表面上沉积的Cr_(2)O_(3) 薄膜热处理后,磨损寿命较低。Inconel 718合金表面上沉积的Cr_(2)O_(3) 薄膜具有优异的摩擦学性能。