磁控溅镀PVD涂层磨蚀行为及机制研究

发布时间：2020-03-22 19:41

【摘要】：相对于陆地环境,海洋环境非常严酷,具有强腐蚀性。海洋工程装备,如海洋运输船舶、海底气/油开采设备和水下机器人等,长期处于严酷环境下工作,面临腐蚀损伤、磨蚀失效和生物污损等问题,这些问题严重影响了海洋工程装备的工作效率、稳定性和服役寿命,这也制约了重大海洋工程技术和装备的发展。因此,适用于海洋环境的防护技术已成为海洋工程领域亟待解决的关键问题之一。物理气相沉积(PVD)硬质涂层是一类常见的耐磨防护涂层,已经广泛地应用在实际表面防护中,能数量级地降低运动部件的磨损,从而提高工程装备的服役寿命。然而PVD涂层中存在许多缺陷(空位、晶界和孔隙等),在腐蚀过程中可能成为先失效点;并且在力学作用下,涂层开裂形成腐蚀液快速扩散通道,加剧涂层损耗;涂层在水环境中脆性增强或发生化学反应也会导致涂层抗裂纹能力减弱,涂层失效。所以,普通PVD防护涂层并不能简单移植到机械-腐蚀耦合的海洋工况中,研究PVD硬质涂层在海洋环境中的磨蚀行为对于海洋防护技术有重要意义。本文采用反应磁控溅射的方法,通过调节靶压和基体偏压,制备出成分和结构可控的CrSiN涂层,系统研究PVD硬质涂层的磨蚀行为并探究其失效机理。主要结论如下:(i)从成分上,Cr_(0.58)Si_(0.42)N表现出较优耐腐蚀性,最好的抗磨损性能,但并没有表现出最优抗磨蚀性能。涂层耐磨蚀性不仅要考虑涂层的耐腐蚀、磨损性能,还要考虑水环境中涂层的脆化和化学反应。(ii)从结构上,一种致密的柱状结构涂层表现出最好的耐磨蚀性能(6×10~(-16)m~3/N m),此时,磨蚀过程主要为层层移除机制。通常,柱状多孔涂层因为它极差的本征抗蚀性,从而表现较差的耐磨蚀性能。而致密无柱状涂层因为磨蚀过程发生断裂磨损,耐磨蚀性能亦较差。所以高致密度,有效的裂纹控制磨损,和磨损表面去钝化-再钝化动态平衡对于硬质涂层抗磨蚀性能十分重要。
【图文】：

重庆大学硕士学位论文 1 绪 论沉积能量进一步增加，，原子具有很高表面扩散能力并开始进行体扩散，形成均匀柱状晶(II 区)，此时晶粒内部缺陷少且柱状晶边界非常致密，力学性能得到了提高。继续增加沉积温度，原子体扩散能力提高，出现了再结晶等轴晶组织。随着沉积原子扩散能力提高，涂层结晶性、致密度以及力学性能等均会提升。

.2 采用 MPPMS+PDCMS 沉积的不同 Si 含量的 CrSiN 涂层截面 TEM：(a) 4.8 at.%, at.%, (c) 10.2 at.%, and (d) 20 at.%.[9]Fig. 1.2 Cross-sectional TEM micrographs of the CrSiN coatings deposited usingPPMS+PDCMS with different Si contents: (a) 4.8 at.%, (b) 6.7 at.%, (c) 10.2 at.%, and (dat.%.除了成分控制，在生长过程中原子扩散动能对涂层结构也有重要影响，增加，入射离子动能增加，通过冲击动量转化，原子迁移和扩散增加，积过程中将会发生原子重排和形核，从而达到涂层结构致密化的目的。偏压对涂层 Cr-Si-N 涂层结构的影响可由图 1.3 表示。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P75

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本文编号：2595526