偏压对直流磁控溅射制备铝镁钛硼涂层结构及性能影响的研究

发布时间：2019-05-12 12:41

【摘要】：据不完全统计,目前世界上约30%-40%的能源消耗于各种形式的摩擦磨损,对摩擦体系来说,耐磨性是我们首先要考虑的问题,摩擦体系中材料的性能对摩擦磨损起着决定性作用,目前,各国都在加大投入,研究高硬度,高耐磨性,低摩擦系数,能够适用于旋转和往复式摩擦条件的材料。AlMgB14材料的研究已经有接近五十年的历史,AlMgB14材料是由四个B12组成的二十面体和存在于二十面体之间的Al、Mg原子和八个B原子特殊结构构成。TiB2弥散分布于AlMgB14基体中,可极大提高材料的机械性能,人们发现Al-Mg-Ti-B等富硼材料的涂层同样具有高硬度,低摩擦系数,低密度和高的热稳定性,在摩擦体系中具有较高的研究价值和应用价值。偏压对直流磁控溅射制备的Al-Mg-Ti-B涂层的成分、结构、性能等的影响尚缺乏系统的研究,同时涂层成分、硬度、化学态等对油润滑条件下的摩擦磨损性能的影响也缺少深入的研究。本文首先通过机械混合,热压烧结的方法制备出了直流磁控溅射所需要的Al-Mg-Ti-B靶材。通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDX)、X射线衍射(XRD)手段进行表征,表明制备的Al-Mg-Ti-B靶材结构致密均匀,结晶性好,杂质含量少,在实际的镀膜过程中可满足作为直流磁控溅射靶材的要求。利用直流磁控溅射溅射制备Al-Mg-Ti-B涂层,以单晶Si为衬底,改变不同的偏压,制备不同的Al-Mg-Ti-B涂层,对涂层结构、成分、粗糙度、硬度等性能进行表征。俄歇电子能谱(AES)图谱表明,制备的Al-Mg-Ti-B涂层成分均匀,从涂层表面到涂层内部,成分并没有明显变化;X射线衍射(XRD)结果显示,偏压并不能影响Al-Mg-Ti-B涂层结晶性,不同偏压条件下磁控溅射制备的涂层均为非晶结构;利用X射线光电子能谱(XPS)对涂层的成分和化学态进行分析,增加偏压有利于减少涂层中C,O杂质含量,涂层中B-B键含量增多,从而提高了涂层的硬度,同时偏压促进金属Ti氧化;扫描电子显微镜(SEM)图像显示,偏压提高了 Al-Mg-Ti-B涂层的致密度,柱状结构逐渐消失;对涂层的表面粗糙度进行分析发现,涂层的表面粗糙度随偏压的升高先增大后减小;偏压的增加会增强涂层的断裂韧性和机械性能,但随偏压的升高,涂层的残余应力会增大,与衬底的结合能力减弱,容易剥落。本文还系统研究了油润滑涂层的磨损机理和偏压对直流磁控溅射制备Al-Mg-Ti-B涂层摩擦学行为的影响,以轴承钢为衬底,改变不同的偏压,直流磁控溅射制备不同的Al-Mg-Ti-B涂层。分别采用油润滑(PAO+MoDTC)球盘式旋转磨擦测试,在室温油润滑条件下,Al-Mg-Ti-B涂层的摩擦系数可达0.04的超低摩擦系数,通过计算表明,润滑状态为边界润滑。对磨痕进行XPS成分和化学态分析,表明摩擦测试过程中,在涂层与对磨球接触的对磨面上形成了MoS2的摩擦膜,MoS2薄膜类似于石墨的特殊层状结构,极大地降低了涂层的摩擦系数,随着偏压的增加,摩擦系数有所升高,并对对磨球的磨损加重。对磨痕进行形貌分析和成分分析表明,摩擦过程中对涂层的磨损率极低,没有形成明显的磨痕和出现剥落现象,在涂层与对磨球接触表面,Fe元素的含量升高,是由于在摩擦测试过程中,Fe元素由对磨钢球表面转移到了涂层表面。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB306

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本文编号：2475402