【摘 要】
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ZrN基薄膜在热核、高速火车和航空航天等领域体现了广阔的应用前景,但摩擦性能不佳限制了其应用。本文为了解决ZrN薄膜较差的摩擦性能,通过射频磁控溅射仪制备了一系列不同Ag含量的ZrN-Ag复合膜;为解决润滑组元在中高温下的过度迁移,在三元ZrN-Ag薄膜基础上制备了一系列不同Si含量的ZrN-Si3N4-Ag纳米结构复合膜,通过XRD、XPS、SEM、TG、UMT-2高温摩擦磨损测试仪、纳米力学综
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ZrN基薄膜在热核、高速火车和航空航天等领域体现了广阔的应用前景,但摩擦性能不佳限制了其应用。本文为了解决ZrN薄膜较差的摩擦性能,通过射频磁控溅射仪制备了一系列不同Ag含量的ZrN-Ag复合膜;为解决润滑组元在中高温下的过度迁移,在三元ZrN-Ag薄膜基础上制备了一系列不同Si含量的ZrN-Si3N4-Ag纳米结构复合膜,通过XRD、XPS、SEM、TG、UMT-2高温摩擦磨损测试仪、纳米力学综合测试系统及电化学工作站等设备研究薄膜的微观结构、力学、高温抗氧化性、摩擦磨损性能和耐腐蚀性能,研究结果如下:ZrN-Ag纳米结构复合膜由fcc-ZrN和fcc-Ag两相组成,随着Ag含量的增加薄膜的膜基结合力和硬度先升高后降低,当Ag含量为1.74 at.%时薄膜硬度最高,为27.75 GPa;薄膜的室温摩擦系数随着Ag含量的增加而下降,当Ag含量为10.59 at.%时,薄膜摩擦系数最低,为0.4436;薄膜磨损率随着Ag含量的增加先下降后上升,当Ag含量为1.74 at.%时,薄膜磨损率最小为5.33×10-8mm~3N-1mm-1。当Ag含量低于1.74 at.%时,薄膜具有最好的综合摩擦磨损性能。在温度从室温升高到500的过程中,薄膜的摩擦系数逐渐降低,磨损率随着温度的升高而增大,在500时取得最小摩擦系数为0.2385和最大磨损率为17.3664×10-8mm~3N-1mm-1。薄膜在中高温下具有较低的摩擦系数和较高磨损率。ZrN-Si3N4-Ag纳米结构复合膜的相组成为fcc-Zr-Si-N、fcc-Ag和非晶相Si3N4三相共存。随着Si含量的增加,薄膜的残余应力下降。室温下,薄膜的摩擦系数和磨损率随着Si含量的增加先下降后上升,当Si含量为12.54 at.%时,摩擦系数最低,为0.343;Si含量为14.23 at.%时,薄膜磨损率最小,为4.6376×10-8mm~3N-1mm-1。对Si含量为12.54 at.%的薄膜进行变温试验,随着温度从室温升高到500,薄膜的摩擦系数先下降后增加,100时摩擦系数的最小,为0.2516,在温度为300时,磨损率最小,为3.995×10-8mm~3N-1mm-1。相比于ZrN-Ag薄膜仅能坚持1个循环,在室温-300的温度循环磨损试验中ZrN-Si3N4-Ag复合膜虽然摩擦系数升高,但具有较小的磨损率,展现出优异的温度循环摩擦磨损能力,3个循环后涂层仍未失效。Si元素的引入不仅提升了薄膜的抗氧化性能,同时也提升了薄膜的抗腐蚀能力。
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