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利用闭合场非平衡磁控溅射方法,以不同的Si靶电流(Isi)和基片转速(ωs)在高速钢/单晶硅基片上制备出(Cr,Si)/GLC薄膜。其多层结构与Cr/GLC类似,由Cr打底层、Cr-C过渡层和金属掺杂Me-C工作层组成,在工作层中掺Si以改善其热氧化抗力。对所获(Cr,Si)/GLC和对比用Cr/GLC薄膜样品在不同温度(T)进行无保护气氛热氧化处理1小时后,采用EDS、SEM、XRD、TEM等微观分析方法对热氧化前后薄膜成分、结构及沉积形貌等进行观察分析,同时利用维氏硬度计、洛氏硬度计、针盘式摩擦磨损试验机等表征了对应条件下薄膜的基本力学性能和摩擦学特性。通过归纳实验结果,系统研究了Isi和ωs对(Cr,Si)/GLC薄膜成分结构、沉积形貌、力学/摩擦学性能及热稳定性的影响。 研究结果表明:在Isi≤0.4A范围内,(Cr,Si)/GLC薄膜的含Si量与Isi近似成立Siat%≈Isi*10*7%的线性关系,随Isi从0增至0.4A,其Si含量由0增至28at%;而其含Cr量在掺Si后由Cr/GLC的9at%升至15a%左右水平基本不变;相应地其C含量则由91at%递减至59a%。所获薄膜仅打底层中纯Cr出现结晶态,工作层中主组元C和掺杂组元Cr、Si均表现非晶特征。薄膜成分基本不受ωs的影响,但提高ωs可导致打底层中结晶Cr晶粒细化及工作层中Cr、Si纳米掺杂相更为弥散和细化。在较高的Isi和ωs组合下,所获薄膜的沉积形貌更为平整、致密。Isi和ωs对薄膜结合强度的影响相对其对硬度的影响更为显著:随Isi升高,薄膜硬度轻微升高但结合强度明显恶化;随ωs的降低,薄膜硬度基本不变而其结合强度也显著变差。(Cr,Si)/GLC与Cr/GLC薄膜均表现出接触载荷越高、摩擦系数越低的减摩特征,在不同载荷下(Cr,Si)/GLC的摩擦系数更低,当Isi取0.2A、接触载荷为20N时,其摩擦系数仅为0.05左右;但由于含Si量增加薄膜脆性增加,更高Isi下制备的(Cr,Si)/GLC薄膜磨损过程中磨损曲线跳动较大,稳定段摩擦系数也重新升高。以上结果表明:本文提出的(Cr,Si)/GLC薄膜,其Cr、Si掺杂相的比例、形态和尺寸可通过溅射参数的调整实现良好控制,并可保证特定参数下制备的(Cr,Si)/GLC薄膜具有略优于Cr/GLC薄膜的力学/摩擦学性能。 热氧化实验结果表明:Cr/GLC薄膜大气环境热氧化1小时后,相对失C量由T=350℃的56%升至T=400℃的接近100%水平,证实其在350℃即严重氧化,而400℃则完全被氧化,其最高服役温度低于350℃。而(Cr,Si)/GLC薄膜均表现出比Cr/GLC更低的氧化程度,当ISi=0.4A时,其在450℃热氧化后相对失C量仍低于30%,但由于脆性较大,薄膜结合力较差;ISi=0.2A时,当T升至450℃,相对失C量也逼近100%水平,但在350℃和400℃热氧化后相对失C量均小于10%,其显微硬度、结合强度均维持在较好水平,且保持最低水平的摩擦系数(0.05);ISi=0.1A时,(Cr,Si)/GLC薄膜在350℃、400℃、450℃热氧化1小时后相对失C量依次由0升至15%和100%,其力学/摩擦学性能相对ISi=0.2A时制得的(Cr,Si)/GLC薄膜稍差。上述实验结果证实:利用本文提出的研究思路,可在ISi=0.2A、ωs=Sr/min时制备出掺Si量约14at%的三层渐变结构(Cr,Si)/GLC薄膜,其力学/摩擦学性能略优于具有类似三层结构的Cr/GLC薄膜,并具有良好的热氧化抗力,其最高服役温度可从Cr/GLC薄膜300℃左右水平提高到400-450℃之间。