等离子体增强磁控溅射(AlCrTi)-Si-N中熵涂层制备与性能研究

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Ti N涂层因硬度高、摩擦系数低和结合力强等优点,被作为表面防护材料广泛应用于各种机械工件,有效地提高了工件的工作效率、延长了服役寿命。随着技术的发展,传统Ti N涂层难以满足现代加工的要求,对涂层进行多元化、多层化、纳米复合化等改性处理以进一步提高其硬度、韧性、耐磨耐蚀性能等,将会极大地扩展传统涂层的应用范围。本文采用等离子体增强磁控溅射(Plasma-Enhanced Magnetron Sputtering,PEMS)技术成功制备了新型的(AlCrTi)-Si-N中熵纳米复合涂层,着重研究了工艺参数基体偏压和氮气流量的调控对(AlCrTi)-Si-N涂层的微观结构、力学性能及摩擦性能的影响规律。采用PEMS技术制备不同基体偏压下的(AlCrTi)-Si-N涂层。研究发现:所有涂层均为Na Cl型的FCC固溶体结构,且沿(111)晶面择优生长。随基体偏压的增加,涂层中的N含量由38.96%增加至52.88%。当基体偏压为-75 V时,(AlCrTi)-Si-N涂层的显微硬度最高(25.28 GPa),结合强度最优(33.67 N)。超过-75 V后涂层的显微硬度和结合强度反而出现一定程度的下降。不同基体偏压下(AlCrTi)-Si-N涂层的摩擦系数在0.5~0.6之间波动,当基体偏压为-75 V时,涂层具有最小的摩擦系数(0.507)和最低的质量磨损率(1.0×10-6 g/N·m)。不同基体偏压下,(AlCrTi)-Si-N涂层的磨损失效机制为磨粒磨损与氧化磨损的共同作用。采用PEMS技术制备不同氮气流量下的(AlCrTi)-Si-N涂层。研究发现:所有涂层表面均呈无规则颗粒状,表面凹凸不平。(AlCrTi)-Si-N涂层各层之间结合良好,无明显缺陷。随着氮气流量的增加,(AlCrTi)-Si-N涂层的孔隙率和粗糙度先减后增,沉积速率不断下降。在氮气流量为40 sccm时,(AlCrTi)-Si-N涂层表面结构最致密,孔隙率最低(2.61%),平均粗糙度最小(9.06 nm)。随着氮气流量的增加,涂层的显微硬度、结合强度及质量磨损率均呈现先增加后降低的变化规律。不同氮气流量下,(AlCrTi)-Si-N涂层的磨损失效机制为磨粒磨损与氧化磨损的共同作用。
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