【摘 要】
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以CrN系为代表的硬质涂层因其具有高硬度、高耐磨性,以及优异的耐腐蚀性和抗高温氧化性,而被大量用在刀具、模具、航天和装饰等领域。磁控溅射工艺是CrN涂层常用的制备技术,但是传统的直流磁控溅射中等离子体的电离效率不高(约10%),从而限制了涂层的进一步发展。新型等离子体增强磁控溅射技术(Plasma-enhanced Magnetron Sputtering,PEMS)可显著增强等离子体密度,改善涂
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以CrN系为代表的硬质涂层因其具有高硬度、高耐磨性,以及优异的耐腐蚀性和抗高温氧化性,而被大量用在刀具、模具、航天和装饰等领域。磁控溅射工艺是CrN涂层常用的制备技术,但是传统的直流磁控溅射中等离子体的电离效率不高(约10%),从而限制了涂层的进一步发展。新型等离子体增强磁控溅射技术(Plasma-enhanced Magnetron Sputtering,PEMS)可显著增强等离子体密度,改善涂层质量。本文采用等离子体增强磁控溅射技术制备CrN系涂层,重点研究其工艺参数对涂层组织结构、力学性能及高温磨擦学特性的影响,并与传统磁控溅射涂层作对比。研究结果如下:(1)通过对PEMS所制备CrN涂层的工艺参数调节,发现随着放电电流ID的增加(0A~4A),基底表面离子电流逐渐增加,最高为ID=0A时的8倍,涂层硬度逐渐升高(1626 HV10g~2382HV10g)。在ID为4A条件下,随着基底偏压的升高(-10V~-120V),涂层晶粒显著细化,并发生(111)择优取向向无择优取向转变的现象,残余应力明显增加,硬度不断增长至2884HV10g;随着沉积温度的上升(14℃~400℃),涂层均为(200)面择优,结晶性能逐渐增强,晶粒尺寸由9.2nm升至12.6nm,硬度最高至2812HV10g。(2)分别采用PEMS和DCPMS技术沉积了厚度为3.5μm、5.5μm和7.0μm的CrN涂层。首先,PEMS CrN涂层均为(111)择优取向,当厚度增长时,硬度不断上升至4391 HV10g,晶粒尺寸先升后降。其次,与DCPMS涂层对比发现,PEMS CrN涂层具有更高的硬度,腐蚀电流密度相对较低,耐3.5wt.% NaCl溶液腐蚀能力更佳,在高厚度(7.0μm)下拥有更低的残余应力。(3)PEMS制备的CrAlAgN涂层中,Ag含量8.25at.%,涂层呈CrAlN相结构,(111)择优取向,由细小的柱状晶构成,硬度2586HV100g。在500℃~900℃高温摩擦磨损后,发现磨痕表面有Ag颗粒析出,起到一定自润滑作用。摩擦系数由0.77(500℃)降至0.5(600℃~900℃),500℃时涂层磨损率最低,为0.39×10-5mm3/Nm,600℃~800℃时涂层的磨损率在3.82×10-5mm3/Nm~6.47×10-5mm3/Nm之间波动,900℃时涂层磨损率最大,为7.98×10-5mm3/Nm,约为800℃时的2倍。热处理温度的逐渐升高,使涂层硬度整体呈减小趋势,900℃下涂层硬度较未处理时降低32%。综上所述,在合适的偏压和沉积温度下采用PEMS可制备出组织致密性能良好的CrN系涂层,其沉积的CrAlAgN涂层在高温下表现出良好的耐磨性,该技术所制备的涂层更适应于复杂工况条件下使用。
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