物理气相沉积元素掺杂类金刚石涂层的性能及应用研究
发布时间：2021-11-20 12:19
类金刚石涂层（DLC）优良的物理和化学性能,包括高硬度、低磨损率及良好的化学惰性,使其得到了极大地关注和广泛的应用。由于DLC涂层内部的应力较高,导致涂层与基材表面的结合力较低,无法在基材表面沉积较厚的DLC涂层,其推广使用受到了极大的限制。本论文采用磁控溅射和阴极电弧两种技术在硬质合金基体表面制备Ti-DLC涂层和Si-DLC涂层,通过改变元素的掺杂比例,获得不同掺杂比例的Ti-DLC涂层和Si-DLC涂层,采用扫描电镜（SEM）、洛氏硬度压痕仪等手段对DLC涂层的微观形貌、厚度、结合力以及内应力等涂层性能进行表征。在沉积Ti-DLC涂层时发现,随着钛靶的溅射功率不断增加,涂层中Ti元素的含量将得到提高,涂层的硬度及应力总体呈下降趋势,而涂层厚度和膜基结合强度呈现上升趋势。当Ti=8.5 at.%时,膜基结合情况优异,涂层应力由无掺杂时的4.5Gpa降至2.1Gpa,同时涂层还保持了高硬度等其他优良性能;而分析Si-DLC涂层的性能时发现,当Si=3.5 at.%时,其应力从最高时的4.8Gpa降至3Gpa,并且涂层保持了良好的综合性能。经上述分析得到,当Ti=8.5 at.%时,D...
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
sp2、sp3和H成分组成的三元相图
上海应用技术大学硕士学位论文第3页刀具的抗粘黏和耐磨损性能[16-31]，具体的应用情况如图1.2至图1.4所示。在DLC涂层的工业应用中发现，涂层内部存在较大的内应力，加之工件对涂层产品的冲击作用，工件表面的涂层极易剥落，这种现象加速了零配件之间及刀具与工件间的磨损，减少了零配件和刀具的使用寿命。为改善上述问题及促进DLC涂层更广泛的应用，需要沉积更厚、附着力更高的DLC涂层，因此必须解决DLC涂层应力高、膜基结合力差等问题。（a）汽车柱塞（b）汽车门锁部件(a)Automotivepiston(b)Automobiledoorlockunit图1.2汽车零部件Fig.1.2Automobilepart图1.3人工骨骼及关节Fig.1.3artificialbonesandjoints（a）普通刀具(a)Universalcutter
上海应用技术大学硕士学位论文第4页（b）微型刀具(b)Microcuttingtools图1.4各类切削刀具Fig.1.4Variouscuttingtools1.3元素掺杂对DLC涂层综合性能的影响涂层的综合性能主要包括其力学性能、摩擦学性能及切削加工性能等，性能优劣关系着涂层的使用效果及寿命，其内应力和膜基结合强度作为影响涂层使用性能及寿命的关键因素，因此降低内应力和提高膜基结合强度是目前研究DLC涂层的重点。虽然涂层内部应力是由涂层形成机理决定的，属于DLC涂层和基材试样的固有性质，但是采取合理措施可有效降低内应力，这些措施主要包括对涂层沉积完全的试样进行退火、在涂层制备过程中加入异族元素、在试样表面制备多层膜以及在制备过程中对基体施加偏压等方法。对sp3-C/sp2-C比值较高的DLC涂层在真空或惰性气体中进行去应力退火，虽然可得到应力较低的涂层，但是实验发现大部分的基底材料无法承受一般的退火温度（500-600℃），当退火温度过高时基底材料性能会显著下降，严重时还会发生基体变形，影响了涂层产品的实际应用，因此这种方法具有一定局限性和针对性。通过对基体施加偏压来改变C+能量，进而控制DLC涂层内部sp3-C与sp2-C比值的方法，可使涂层内部应力释放。当C+能量达到100eV时，涂层中的sp3-C所占比例最高[32-33]。因此合理的控制偏压大小，使C+能量大于（或小于）100ev，就可以降低薄膜中sp3-C的含量，从而达到降低涂层内应力的目的，但此方法也存在一定弊端，即对基体施加偏压，会导致涂层硬度降低，同时DLC涂层表面的粗糙度也有所升高，表面粗糙度的升高会导致涂层摩擦系数增大，从而加剧了涂层产品与对磨工件间的摩擦磨损。通过上述介绍得知，采用退火和施加偏压的方法虽能有效的降低涂层应力和提高膜基结合强度，但这两种?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effect of multi-walled carbon nanotube addition on the microstructures and mechanical properties of Ti（C,N）-based cermets[J]. P.WU,S.C.LIU,X.R.JIANG. Journal of Advanced Ceramics. 2018(01)
[2]TaC涂层的研究现状及应用[J]. 张而耕,黄彪,周琼. 陶瓷学报. 2017(01)
[3]螺纹铣削切削力有限元分析及试验[J]. 张生芳,王豪华,马付建,黄文丽,沙智华. 工具技术. 2016(08)
[4]固体润滑薄膜材料在汽车零部件上的应用[J]. 冯佳奇,张喆,张克金,安宇鹏,米新艳,王丹. 汽车工艺与材料. 2014(03)
[5]类金刚石在汽车零部件上的应用[J]. 张而耕,张体波. 南京理工大学学报. 2014(01)
[6]类金刚石膜在人工关节领域的应用和研究进展[J]. 王松,廖振华,刘伟强. 功能材料. 2014(05)
[7]高速切削中切削速度对工件材料力学性能和切屑形态的影响机理[J]. 苏国胜,刘战强,万熠,艾兴. 中国科学:技术科学. 2012(11)
[8]TaC含量对YG类稀土硬质合金性能的影响[J]. 李力,陈慧,姜中涛,陈巧旺,涂铭旌. 重庆文理学院学报(自然科学版). 2012(05)
[9]DLC涂层应用于活塞环[J]. 周革华. 内燃机与配件. 2012(04)
[10]退火对AlTiN多层薄膜结构及力学性能影响[J]. 罗庆洪,娄艳芝,赵振业,杨会生. 物理学报. 2011(06)
硕士论文
[1]DLC涂层制备及加工削铝合金性能的研究[D]. 邓耀锋.华南理工大学 2014
[2]钛掺杂梯度多层类金刚石薄膜制备与机械性能研究[D]. 马占吉.兰州大学 2013
[3]钛合金表面激光熔覆氧化铝复合涂层凝固与摩擦特性研究[D]. 陈云啸.大连理工大学 2012
[4]磁控溅射CrN/W2N多层薄膜和Ti/a-C复合薄膜的结构调控及摩擦学性能[D]. 李瑞玲.浙江大学 2010
[5]磁控溅射制备类金刚石（DLC）薄膜及其结构和性能研究[D]. 赵之明.合肥工业大学 2007
本文编号：3507311
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
sp2、sp3和H成分组成的三元相图
上海应用技术大学硕士学位论文第3页刀具的抗粘黏和耐磨损性能[16-31]，具体的应用情况如图1.2至图1.4所示。在DLC涂层的工业应用中发现，涂层内部存在较大的内应力，加之工件对涂层产品的冲击作用，工件表面的涂层极易剥落，这种现象加速了零配件之间及刀具与工件间的磨损，减少了零配件和刀具的使用寿命。为改善上述问题及促进DLC涂层更广泛的应用，需要沉积更厚、附着力更高的DLC涂层，因此必须解决DLC涂层应力高、膜基结合力差等问题。（a）汽车柱塞（b）汽车门锁部件(a)Automotivepiston(b)Automobiledoorlockunit图1.2汽车零部件Fig.1.2Automobilepart图1.3人工骨骼及关节Fig.1.3artificialbonesandjoints（a）普通刀具(a)Universalcutter
上海应用技术大学硕士学位论文第4页（b）微型刀具(b)Microcuttingtools图1.4各类切削刀具Fig.1.4Variouscuttingtools1.3元素掺杂对DLC涂层综合性能的影响涂层的综合性能主要包括其力学性能、摩擦学性能及切削加工性能等，性能优劣关系着涂层的使用效果及寿命，其内应力和膜基结合强度作为影响涂层使用性能及寿命的关键因素，因此降低内应力和提高膜基结合强度是目前研究DLC涂层的重点。虽然涂层内部应力是由涂层形成机理决定的，属于DLC涂层和基材试样的固有性质，但是采取合理措施可有效降低内应力，这些措施主要包括对涂层沉积完全的试样进行退火、在涂层制备过程中加入异族元素、在试样表面制备多层膜以及在制备过程中对基体施加偏压等方法。对sp3-C/sp2-C比值较高的DLC涂层在真空或惰性气体中进行去应力退火，虽然可得到应力较低的涂层，但是实验发现大部分的基底材料无法承受一般的退火温度（500-600℃），当退火温度过高时基底材料性能会显著下降，严重时还会发生基体变形，影响了涂层产品的实际应用，因此这种方法具有一定局限性和针对性。通过对基体施加偏压来改变C+能量，进而控制DLC涂层内部sp3-C与sp2-C比值的方法，可使涂层内部应力释放。当C+能量达到100eV时，涂层中的sp3-C所占比例最高[32-33]。因此合理的控制偏压大小，使C+能量大于（或小于）100ev，就可以降低薄膜中sp3-C的含量，从而达到降低涂层内应力的目的，但此方法也存在一定弊端，即对基体施加偏压，会导致涂层硬度降低，同时DLC涂层表面的粗糙度也有所升高，表面粗糙度的升高会导致涂层摩擦系数增大，从而加剧了涂层产品与对磨工件间的摩擦磨损。通过上述介绍得知，采用退火和施加偏压的方法虽能有效的降低涂层应力和提高膜基结合强度，但这两种?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effect of multi-walled carbon nanotube addition on the microstructures and mechanical properties of Ti（C,N）-based cermets[J]. P.WU,S.C.LIU,X.R.JIANG. Journal of Advanced Ceramics. 2018(01)
[2]TaC涂层的研究现状及应用[J]. 张而耕,黄彪,周琼. 陶瓷学报. 2017(01)
[3]螺纹铣削切削力有限元分析及试验[J]. 张生芳,王豪华,马付建,黄文丽,沙智华. 工具技术. 2016(08)
[4]固体润滑薄膜材料在汽车零部件上的应用[J]. 冯佳奇,张喆,张克金,安宇鹏,米新艳,王丹. 汽车工艺与材料. 2014(03)
[5]类金刚石在汽车零部件上的应用[J]. 张而耕,张体波. 南京理工大学学报. 2014(01)
[6]类金刚石膜在人工关节领域的应用和研究进展[J]. 王松,廖振华,刘伟强. 功能材料. 2014(05)
[7]高速切削中切削速度对工件材料力学性能和切屑形态的影响机理[J]. 苏国胜,刘战强,万熠,艾兴. 中国科学:技术科学. 2012(11)
[8]TaC含量对YG类稀土硬质合金性能的影响[J]. 李力,陈慧,姜中涛,陈巧旺,涂铭旌. 重庆文理学院学报(自然科学版). 2012(05)
[9]DLC涂层应用于活塞环[J]. 周革华. 内燃机与配件. 2012(04)
[10]退火对AlTiN多层薄膜结构及力学性能影响[J]. 罗庆洪,娄艳芝,赵振业,杨会生. 物理学报. 2011(06)
硕士论文
[1]DLC涂层制备及加工削铝合金性能的研究[D]. 邓耀锋.华南理工大学 2014
[2]钛掺杂梯度多层类金刚石薄膜制备与机械性能研究[D]. 马占吉.兰州大学 2013
[3]钛合金表面激光熔覆氧化铝复合涂层凝固与摩擦特性研究[D]. 陈云啸.大连理工大学 2012
[4]磁控溅射CrN/W2N多层薄膜和Ti/a-C复合薄膜的结构调控及摩擦学性能[D]. 李瑞玲.浙江大学 2010
[5]磁控溅射制备类金刚石（DLC）薄膜及其结构和性能研究[D]. 赵之明.合肥工业大学 2007
本文编号：3507311
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