纳微米PVD涂层的制备及其性能实验研究
发布时间：2021-03-03 07:13
本文采用物理气相沉积方法,使用阴极电弧离子镀技术研究、制备一种超硬纳微米多层梯度涂层,即TiAlSiN超硬涂层,与AlTiN涂层进行性能对比。通过能谱仪（EDAX）分析涂层的元素成分;成分扫描以后涂层的物相结构可以通过X射线衍射（XRD）观察得到;需要借助具有高分辨率性质的透射电子显微镜（HRTEM）,并和扫描电子显微镜（SEM）共同使用,以此得到涂层表面和断面形貌图像;无损检测仪测量涂层的厚度;纳米压痕机测量涂层的微观硬度和弹性模量;洛氏硬度计测量涂层的膜基结合力;摩擦磨损试验机表征涂层室温下的摩擦磨损性能;并在KIA CENTER V25加工中心上进行了切削实验。主要结论如下:（1）新型纳微米多层梯度涂层工艺制备方法创新,研究适用于产业化超硬涂层的制备工艺。为了增加涂层的层数采用的是交替弧源法,即让4个靶材交替导通并控制导通时间。每沉积一层时,用氩离子进行轰击一次,适当地对新沉积的涂层进行粗化以利于后层涂层的附着。操作简单,可批量生产。（2）实验制备的AlTiN及TiAlSiN涂层厚度分别为2.604μm、2.798μm;扫描电子显微镜观察到AlTiN及TiAlSiN涂层表面均比较...
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
真空蒸发镀膜设备示意图
第4页上海应用技术大学硕士学位论文地与气体分子碰撞并把所具有的能量传递给气体分子，从而自身变为低能粒子。由于低能离子具有的能量较少，不会对工件造成剧烈的轰击。同时，电子要经过大约上百米的飞行才能到达阳极，碰撞频率大约为107s-1[21]。图1.2磁控溅射镀膜原理示意图Fig.1.2Schematicdiagramofmagnetronsputteringcoatingprinciple1-磁铁；2-刻蚀区；3-靶材；4-磁力线；5-溅射靶电源；6-探针；7-基片；8-偏压电源；e-电源；⊕-正离子；○M-溅射出来的物质溅射镀膜具有可以实现大面积快速沉积，几乎所有金属、介质、化合物都可以用作靶材，镀膜的密度高，附着性好等突出优点，但也有其缺点，即设备比较复杂，较难以控制沉积参数；与蒸发镀膜（沉积速率0.1～5μm）相比较，其沉积速率很低，约为0.01～0.5μm/min，且应用不广泛。1.2.3离子镀膜离子镀膜简称离子镀是一种气相沉积方法，其中气体或被蒸发物质在真空环境下，离化的气体具有高能量，物质被蒸发产生的离子也具有高能量，它们共同轰击基体的表面，从而在基体表面形成涂层[22]。沉积材料的来源有三种，分别是气源和蒸发源以及溅射源，它们各有特点。其中蒸发源在汽化过程中时间短、类型多样而且容易产生。离子镀技术最早是由D.M.Mattox于1963年提出并付诸实施的，其采用的直流二极型离子镀如图1.3（a）所示。离子镀膜把辉光放电、等离子体技术与真空蒸发镀膜技术结合在一起，它既具有蒸发镀膜的沉积速度快，又具有溅射镀膜的沉积离子能量高（实际上比溅射粒子能量高的多）的特点，并且具有薄膜层与基体具有很强的结合力、广泛的可镀材料、好的绕射性等优点[23]。它能够涂覆单金属、化合物、合金以及各种复合材料在金属和陶瓷、塑料等非金属上面，使表面获得耐磨、抗腐蚀、?
愕挠捕群涂够?Ю┥⒌哪芰Γ?坎愕亩嗖慊??是增强涂层硬度、结合力及耐磨性等性能的有效途径之一，本课题通过合理的多元和多层设计的TiAlSiN多层梯度涂层相较于AlTiN而言，增加了Si元素，并增加了涂层的层数，符合涂层朝着合金元素多元化、层数多层化发展的方向，本章节制备了AlTiN及TiAlSiN多层梯度涂层，并对两种涂层的性能进行实验研究，对比分析了实验结果。2.2AlTiN及TiAlSiN涂层沉积设备及原理2.2.1AlTiN及TiAlSiN涂层沉积设备本实验中使用的阴极电弧离子镀设备是由意大利ICS公司生产的，其外形图及真空炉腔结构如图2.1所示，型号为ICS-04ARCPRO。从形状结构上看真空炉腔，是正八边形，其炉腔内部布局为：均匀布置四个加热管，四个矩形靶材，间隔分布在八个矩形面上，由图2.1（b）可知，为了在沉积涂层时防止靶材之间进行相互污染，采取的有效措施是在真空室中加一个旋转挡板。此装置主要由四个系统组成，分别为加热、水冷、真空和PLC控制系统，表2.1为该设备的系统集成组件，根据实验室的试验条件，其真空炉腔尺寸是Φ500×700mm，真空度为0.005~0.045mBar。用于装夹涂层试样的转炉架采用行星轮结构（如图2.2），转炉架转速为0~6r/min，为了使沉积涂层均匀分布，该设备的既可以公转也可以自转。每条边上的靶材尺寸都一样，而且靶材的成分也是多样的，合金靶和单一靶都可以，阴极电弧离子镀设备的内部整体结构如图2.3所示。（a）阴极电弧离子镀设备（b）炉腔结构图2.1阴极电弧离子镀设备及真空炉腔示意图Fig.2.1Schematicdiagramofcathodearcionplatingequipmentandvacuumchamber表2.1阴极电弧离子镀设备的主要组件Table2.1Themaincomponentsofcathodearcionplatingeqiupment
【参考文献】：
期刊论文
[1]多弧离子镀制备氮化铬基涂层及其摩擦学性能研究[J]. 陈彦军,王顺花,蒲吉斌,姜欣. 西北师范大学学报(自然科学版). 2020(03)
[2]CrAlN纳米梯度涂层的切削性能研究[J]. 宋佳伟,王欣,李哲辉,范其香,罗忠红,武文轩. 装备制造技术. 2019(12)
[3]硬质合金刀具高能离子源增强多弧镀AlCrTiSiN梯度涂层制备及性能研究[J]. 蔡飞,高营,蔡习军,张林,张世宏,王启民. 机械工程学报. 2019(19)
[4]多弧离子镀TiAlSiN梯度涂层制备及切削性能[J]. 汪鹏,许昌庆,蔡飞,斯松华,张世宏,梁加刚. 中国表面工程. 2019(02)
[5]TiAlN/AlON纳米多层涂层组织及性能研究[J]. 阎红娟,刘峰斌,李喜朋,杨菲菲. 北京理工大学学报. 2018(12)
[6]阴极电弧离子镀TiAlSiN涂层刀具切削性能研究[J]. 张而耕,何澄,陈强. 陶瓷学报. 2018(04)
[7]多层梯度结构对TiAlSiN涂层摩擦磨损性能的影响[J]. 谭超,何卫锋,曹鑫,廖斌,何光宇,杨竹芳. 中国表面工程. 2018(03)
[8]TiAlN/VN纳米多层膜的微结构与力学和摩擦学性能[J]. 李淼磊,王恩青,岳建岭,黄小忠. 无机材料学报. 2017(12)
[9]CrAlYN纳米多层薄膜的微观结构和抗高温氧化性能研究[J]. 王宇星,楼白杨,巫少龙. 真空科学与技术学报. 2017(11)
[10]TiN/CrN多层薄膜的微观结构与力学性能（英文）[J]. 靳巧玲,王海斗,李国禄,张建军,刘金娜. 稀有金属材料与工程. 2017(10)
博士论文
[1]γ-TiAl表面Al2O3/Al梯度热防护涂层的制备及其性能研究[D]. 徐一.南京航空航天大学 2015
[2]氮化物/钽多层膜的制备及性能研究[D]. 商宏飞.机械科学研究总院 2013
[3]ZrTiN梯度涂层刀具的制备及性能研究[D]. 颜培.山东大学 2012
[4]VC基纳米多层膜的微结构与超硬效应[D]. 李冠群.上海交通大学 2011
[5]两相纳米结构薄膜中的模板效应与超硬效应[D]. 孔明.上海交通大学 2009
硕士论文
[1]TiN基纳米复合膜的微结构、力学及摩擦磨损性能影响研究[D]. 刘爽.江苏科技大学 2018
[2]纳微米高硅涂层的制备及性能研究[D]. 陈强.上海应用技术大学 2017
[3]物理气相沉积TiAlN/TiN纳米多层膜的应用研究[D]. 张体波.上海应用技术学院 2015
[4]多弧离子镀制备Ti（C,N）及TiAlCN梯度多层硬质薄膜的结构与性能研究[D]. 李金龙.安徽工业大学 2013
[5]nc-TiN/a-Si3N4纳米复合薄膜的制备与性能研究[D]. 杨莹泽.河南大学 2011
[6]电弧离子镀AlTiN涂层及其热处理性能研究[D]. 刘海浪.江西理工大学 2009
[7]微径铣刀的力学特性及磨损机理研究[D]. 童利东.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3060851
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
真空蒸发镀膜设备示意图
第4页上海应用技术大学硕士学位论文地与气体分子碰撞并把所具有的能量传递给气体分子，从而自身变为低能粒子。由于低能离子具有的能量较少，不会对工件造成剧烈的轰击。同时，电子要经过大约上百米的飞行才能到达阳极，碰撞频率大约为107s-1[21]。图1.2磁控溅射镀膜原理示意图Fig.1.2Schematicdiagramofmagnetronsputteringcoatingprinciple1-磁铁；2-刻蚀区；3-靶材；4-磁力线；5-溅射靶电源；6-探针；7-基片；8-偏压电源；e-电源；⊕-正离子；○M-溅射出来的物质溅射镀膜具有可以实现大面积快速沉积，几乎所有金属、介质、化合物都可以用作靶材，镀膜的密度高，附着性好等突出优点，但也有其缺点，即设备比较复杂，较难以控制沉积参数；与蒸发镀膜（沉积速率0.1～5μm）相比较，其沉积速率很低，约为0.01～0.5μm/min，且应用不广泛。1.2.3离子镀膜离子镀膜简称离子镀是一种气相沉积方法，其中气体或被蒸发物质在真空环境下，离化的气体具有高能量，物质被蒸发产生的离子也具有高能量，它们共同轰击基体的表面，从而在基体表面形成涂层[22]。沉积材料的来源有三种，分别是气源和蒸发源以及溅射源，它们各有特点。其中蒸发源在汽化过程中时间短、类型多样而且容易产生。离子镀技术最早是由D.M.Mattox于1963年提出并付诸实施的，其采用的直流二极型离子镀如图1.3（a）所示。离子镀膜把辉光放电、等离子体技术与真空蒸发镀膜技术结合在一起，它既具有蒸发镀膜的沉积速度快，又具有溅射镀膜的沉积离子能量高（实际上比溅射粒子能量高的多）的特点，并且具有薄膜层与基体具有很强的结合力、广泛的可镀材料、好的绕射性等优点[23]。它能够涂覆单金属、化合物、合金以及各种复合材料在金属和陶瓷、塑料等非金属上面，使表面获得耐磨、抗腐蚀、?
愕挠捕群涂够?Ю┥⒌哪芰Γ?坎愕亩嗖慊??是增强涂层硬度、结合力及耐磨性等性能的有效途径之一，本课题通过合理的多元和多层设计的TiAlSiN多层梯度涂层相较于AlTiN而言，增加了Si元素，并增加了涂层的层数，符合涂层朝着合金元素多元化、层数多层化发展的方向，本章节制备了AlTiN及TiAlSiN多层梯度涂层，并对两种涂层的性能进行实验研究，对比分析了实验结果。2.2AlTiN及TiAlSiN涂层沉积设备及原理2.2.1AlTiN及TiAlSiN涂层沉积设备本实验中使用的阴极电弧离子镀设备是由意大利ICS公司生产的，其外形图及真空炉腔结构如图2.1所示，型号为ICS-04ARCPRO。从形状结构上看真空炉腔，是正八边形，其炉腔内部布局为：均匀布置四个加热管，四个矩形靶材，间隔分布在八个矩形面上，由图2.1（b）可知，为了在沉积涂层时防止靶材之间进行相互污染，采取的有效措施是在真空室中加一个旋转挡板。此装置主要由四个系统组成，分别为加热、水冷、真空和PLC控制系统，表2.1为该设备的系统集成组件，根据实验室的试验条件，其真空炉腔尺寸是Φ500×700mm，真空度为0.005~0.045mBar。用于装夹涂层试样的转炉架采用行星轮结构（如图2.2），转炉架转速为0~6r/min，为了使沉积涂层均匀分布，该设备的既可以公转也可以自转。每条边上的靶材尺寸都一样，而且靶材的成分也是多样的，合金靶和单一靶都可以，阴极电弧离子镀设备的内部整体结构如图2.3所示。（a）阴极电弧离子镀设备（b）炉腔结构图2.1阴极电弧离子镀设备及真空炉腔示意图Fig.2.1Schematicdiagramofcathodearcionplatingequipmentandvacuumchamber表2.1阴极电弧离子镀设备的主要组件Table2.1Themaincomponentsofcathodearcionplatingeqiupment
【参考文献】：
期刊论文
[1]多弧离子镀制备氮化铬基涂层及其摩擦学性能研究[J]. 陈彦军,王顺花,蒲吉斌,姜欣. 西北师范大学学报(自然科学版). 2020(03)
[2]CrAlN纳米梯度涂层的切削性能研究[J]. 宋佳伟,王欣,李哲辉,范其香,罗忠红,武文轩. 装备制造技术. 2019(12)
[3]硬质合金刀具高能离子源增强多弧镀AlCrTiSiN梯度涂层制备及性能研究[J]. 蔡飞,高营,蔡习军,张林,张世宏,王启民. 机械工程学报. 2019(19)
[4]多弧离子镀TiAlSiN梯度涂层制备及切削性能[J]. 汪鹏,许昌庆,蔡飞,斯松华,张世宏,梁加刚. 中国表面工程. 2019(02)
[5]TiAlN/AlON纳米多层涂层组织及性能研究[J]. 阎红娟,刘峰斌,李喜朋,杨菲菲. 北京理工大学学报. 2018(12)
[6]阴极电弧离子镀TiAlSiN涂层刀具切削性能研究[J]. 张而耕,何澄,陈强. 陶瓷学报. 2018(04)
[7]多层梯度结构对TiAlSiN涂层摩擦磨损性能的影响[J]. 谭超,何卫锋,曹鑫,廖斌,何光宇,杨竹芳. 中国表面工程. 2018(03)
[8]TiAlN/VN纳米多层膜的微结构与力学和摩擦学性能[J]. 李淼磊,王恩青,岳建岭,黄小忠. 无机材料学报. 2017(12)
[9]CrAlYN纳米多层薄膜的微观结构和抗高温氧化性能研究[J]. 王宇星,楼白杨,巫少龙. 真空科学与技术学报. 2017(11)
[10]TiN/CrN多层薄膜的微观结构与力学性能（英文）[J]. 靳巧玲,王海斗,李国禄,张建军,刘金娜. 稀有金属材料与工程. 2017(10)
博士论文
[1]γ-TiAl表面Al2O3/Al梯度热防护涂层的制备及其性能研究[D]. 徐一.南京航空航天大学 2015
[2]氮化物/钽多层膜的制备及性能研究[D]. 商宏飞.机械科学研究总院 2013
[3]ZrTiN梯度涂层刀具的制备及性能研究[D]. 颜培.山东大学 2012
[4]VC基纳米多层膜的微结构与超硬效应[D]. 李冠群.上海交通大学 2011
[5]两相纳米结构薄膜中的模板效应与超硬效应[D]. 孔明.上海交通大学 2009
硕士论文
[1]TiN基纳米复合膜的微结构、力学及摩擦磨损性能影响研究[D]. 刘爽.江苏科技大学 2018
[2]纳微米高硅涂层的制备及性能研究[D]. 陈强.上海应用技术大学 2017
[3]物理气相沉积TiAlN/TiN纳米多层膜的应用研究[D]. 张体波.上海应用技术学院 2015
[4]多弧离子镀制备Ti（C,N）及TiAlCN梯度多层硬质薄膜的结构与性能研究[D]. 李金龙.安徽工业大学 2013
[5]nc-TiN/a-Si3N4纳米复合薄膜的制备与性能研究[D]. 杨莹泽.河南大学 2011
[6]电弧离子镀AlTiN涂层及其热处理性能研究[D]. 刘海浪.江西理工大学 2009
[7]微径铣刀的力学特性及磨损机理研究[D]. 童利东.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3060851
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/3060851.html
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