CrN基纳米复合涂层的制备及性能研究

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CrN涂层因具有高硬度、低摩擦系数和强附着力等特性,被作为表面防护材料广泛应用于各种工件,可有效提高工件的工作效率,延长其服役寿命。随着科技的进步,传统二元涂层难以满足现代加工的要求。制备多元涂层以进一步提高其硬度与韧性,增强抗高温氧化性与耐腐蚀性等,将大大扩展CrN基涂层的应用范围。本文围绕等离子体增强磁控溅射(Plasma Enhanced Magnetron Sputtering,PEMS)技术制备CrAlSiN纳米复合涂层展开基础研究。基于单一变量原则,保持其它工艺参数不变,通过改变Si靶溅射功率制备了不同Si含量的CrAlSiN涂层。结果表明,Si元素的加入有效抑制了柱状晶的生长,晶粒细化且涂层表面由六棱锥形变为不规则岛状;随着Si含量的增加,涂层显微硬度、杨氏模量、弹性应变系数(H/E*)及塑性变形抗力(H3/E*2)均先升高后降低,平均摩擦系数与磨损率先降低后升高,Si含量为16.37%时,涂层力学性能与摩擦学性能最佳;Si含量对涂层的抗高温氧化性能影响显著,结构疏松是低Si含量涂层提前失效的原因,Si含量为20.73%时,涂层具有最佳的抗高温氧化性能;电化学腐蚀结果表明,涂层耐腐蚀性能随Si含量增加而下降,缺陷密度增加是涂层腐蚀失效的主要原因。通过控制Al靶溅射功率制备了不同Al含量的CrAlSiN涂层。结果表明,Al部分替换CrN的晶体中的Cr形成了Cr(Al)N固溶体,涂层表面呈现不规则岛状;随着Al含量的增加,涂层的结合力逐渐增强,硬度、杨氏模量、H/E*、H3/E*2、平均摩擦系数以及磨损率均呈现先降低后升高的趋势,Al含量为27.72%时,涂层力学性能与摩擦学性能最佳;涂层抗高温氧化性能随Al含量增加先增强后减弱,表面缺陷增多以及热膨胀不匹配应力是涂层氧化失效的原因,Al含量为27.72%时,涂层抗高温氧化性能最佳;电化学腐蚀结果表明,涂层失效机理为晶界腐蚀,随着Al含量的增加,腐蚀电流(Icorr)先减小后增大,Al含量为27.72%时,涂层耐腐蚀性能最佳。
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