CrN基涂层的制备及其性能研究

发布时间：2017-09-01 08:17

  本文关键词：CrN基涂层的制备及其性能研究

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【摘要】：硬质涂层涂覆在材料表面可以使材料与外界环境隔离开,能作为有效的热屏障和化学屏障,预防材料的摩擦磨损、氧化及腐蚀。不仅能极大地延长材料的使用寿命,还能赋予材料一些新的性能。本论文中采用闭合场非平衡反应磁控溅射技术成功制备了CrN,并以之为基础,合成了CrSiN及CrHfSiN涂层,对各涂层结构及性能进行分析,主要研究内容有：(1)采用直流磁控溅射制备了CrN涂层,并研究了氮气流量和基体偏压对涂层的影响。结果表明：随两者增大涂层晶粒细化,表面致密度增加；涂层中物相皆以CrN、Cr、Cr2N为主,无明显择优取向；涂层硬度随氮气增加而降低,随偏压增大而提高。(2)采用高功率脉冲磁控溅射技术制备了CrN涂层,并研究脉冲宽度对涂层的影响。该方法制备的CrN涂层晶粒间熔融凝聚程度增强,晶体生长取向性增强。涂层的结合力在脉宽增大过程中先增后减,硬度则随之增大。(3)向CrN涂层中引入Si制备了CrSiN涂层。优化后CrSiN涂层的沉积工艺为N2/Ar含量为18：12,电源功率为600 W,偏压为-50 V,工作压力为0.5 Pa,温度为200℃。CrSiN涂层主要由CrN和Cr组成,涂层沉积速率随Si的增加而降低,硬度随Si的增加先增后降。与CrN涂层相比,CrSiN涂层摩擦系数更低,结合力和硬度更高。当Si含量为1.13%时涂层硬度高于4200HV0.01。对CrSiN涂层进行恒温氧化,800℃时涂层仅外侧被氧化,涂层能较好的保护基体；900℃时涂层外侧氧化严重,并产生向涂层内部延伸的缺陷,但仍能保护基体。(4) CrHfSiN涂层表面致密,截面形貌显示其仍为柱状晶。涂层物相以CrN为主,还有少量的Cr2N和HfN。涂层进行恒温氧化,800℃和900℃时,涂层中的相主要为Cr2N和Cr203。此过程中涂层内部生成了致密的氧化膜,形成氧向涂层内部扩散的屏障,从而保护基体未被氧化;1000℃时,涂层中的相以Cr203和Fe203为主,涂层氧化严重,内部应力增大,涂层局部剥落导致基体被氧化。
【关键词】：闭合场非平衡磁控溅射 CrN涂层 CrSiN涂层 CrHfSiN涂层 抗高温氧化性能
【学位授予单位】：江西科技师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 引言10
• 1.2 硬质涂层沉积技术简介10-17
• 1.2.1 蒸发镀11
• 1.2.2 溅射镀11-16
• 1.2.2.1 平衡磁控溅射12-13
• 1.2.2.2 非平衡磁控溅射13-14
• 1.2.2.3 脉冲磁控溅射14-16
• 1.2.3 离子镀16-17
• 1.3 硬质涂层的研究现状及发展趋势17-20
• 1.3.1 组成多元化17-18
• 1.3.2 结构多层化18-19
• 1.3.3 功能梯度化19-20
• 1.4 本论文的选题意义及研究内容20-22
• 第2章 实验设备及研究方法22-32
• 2.1 实验设备22-23
• 2.2 实验方法23-32
• 2.2.1 基体及其预处理23
• 2.2.2 涂层的制备23-24
• 2.2.3 涂层显微结构表征24-26
• 2.2.3.1 形貌观察24-25
• 2.2.3.2 成分分析25
• 2.2.3.3 物相组成25-26
• 2.2.4 涂层性能分析与表征26-32
• 2.2.4.1 结合力26-28
• 2.2.4.2 硬度28-30
• 2.2.4.3 抗高温氧化性能30-32
• 第3章 磁控溅射CrN涂层的研究32-45
• 3.1 闭合场非平衡直流磁控溅射CrN涂层的研究32-38
• 3.1.1 实验方法32-33
• 3.1.2 实验结果与讨论33-38
• 3.1.2.1 氮气氩气含量对涂层的影响33-35
• 3.1.2.2 基体偏压对涂层的影响35-38
• 3.1.3 小结38
• 3.2 高功率脉冲磁控溅射CrN涂层的研究38-44
• 3.2.1 实验方法39-40
• 3.2.2 结果与讨论40-43
• 3.2.2.1 CrN涂层的表面形貌40-41
• 3.2.2.2 CrN涂层的相组成41-42
• 3.2.2.3 CrN涂层的结合力和硬度42-43
• 3.2.3 结论43-44
• 3.3 本章小结44-45
• 第4章 磁控溅射CrSiN涂层的研究45-56
• 4.1 Si含量对CrSiN涂层性能研究45-50
• 4.1.1 实验方法45-46
• 4.1.2 结果与讨论46-49
• 4.1.2.1 CrSiN涂层的表面形貌46
• 4.1.2.2 CrSiN涂层的沉积速率46-47
• 4.1.2.3 CrSiN涂层的相组成47-48
• 4.1.2.4 CrSiN涂层的硬度48-49
• 4.1.3 小结49-50
• 4.2 CrSiN涂层的氧化性能50-55
• 4.2.1 实验方法50-51
• 4.2.2 结果与讨论51-54
• 4.2.2.1 CrSiN涂层形貌、力学性能及物相组成51-52
• 4.2.2.2 氧化后涂层表面形貌及物相组成52-53
• 4.2.2.3 氧化后涂层截面形貌53-54
• 4.2.3 小结54-55
• 4.3 本章小结55-56
• 第5章 磁控溅射CrHfSiN涂层的研究56-62
• 5.1 实验方法56
• 5.2 结果与讨论56-61
• 5.2.1 氧化前涂层形貌及物相组成57-58
• 5.2.2 氧化后涂层的形貌及物相组成58-60
• 5.2.3 涂层氧化动力学曲线60-61
• 5.3 本章小结61-62
• 第6章 结论62-64
• 参考文献64-71
• 攻读硕士学位期间主要研究成果71-72
• 致谢72

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