TiAlN-Si3N4-Cu納米復(fù)合涂層的制備及性能研究.pdf

1、本文采用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)在304不銹鋼表面制備了TiAlN/Si3 N4-Cu納米復(fù)合涂層,研究了基底溫度、負(fù)偏壓、涂層中Si元素含量和Cu元素含量等對(duì)TiAlN/Si3N4-Cu納米復(fù)合涂層的微觀結(jié)構(gòu)、硬度、韌性、膜基結(jié)合性能、耐磨性能和抗高溫氧化性能的影響。
　　研究了溫度對(duì)TiAlN/Si3 N4-Cu納米復(fù)合涂層性能的影響。沉積溫度從室溫(RT)提高至250 oC后,涂層表面的空洞減少,結(jié)構(gòu)致密,TiN(111)和Ti

2、N(220)衍射峰強(qiáng)度減小,涂層硬度和彈性模量逐漸增大,最大值分別達(dá)到15.3 GPa和293.4 GPa。劃痕測(cè)試表明:沉積溫度為RT、150 oC和250 oC時(shí),劃痕實(shí)驗(yàn)臨界載荷分別是3.85 N,3.45 N和5.10 N。相比低溫情況下,250 oC時(shí)制備的涂層劃痕聲信號(hào)峰不連續(xù)且較小,膜基結(jié)合力良好,涂層的摩擦系數(shù)最小,為0.74,磨損率為2.5×10-4 mm3/N·m,磨損機(jī)理為粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。
　　

3、研究了負(fù)偏壓在0 V至-60 V范圍內(nèi),對(duì)TiAlN/Si3 N4-Cu涂層性能的影響。負(fù)偏壓從0 V提高至-60 V后,涂層晶粒尺寸減小、致密性提高,沉積速率先增大后減小。相比其它的涂層,襯底偏壓在-20 V時(shí),沉積速率可達(dá)4.394×10-3 mg·cm-2·min-1,涂層的顯微硬度和彈性模量最大,分別達(dá)到19.6 GPa和256.2 GPa,膜基結(jié)合力和耐磨性能也最好,磨損量為2.5×10-4 mm3/N·m。
　　研究S

4、i含量(0-5.9 at.％)對(duì)TiAlN/Si3 N4-Cu納米復(fù)合涂層性能的影響。隨著Si含量的增加,涂層的表面粗糙度變小,涂層更加致密,晶粒細(xì)化;3.39 at.%Si含量時(shí)的TiAlN/Si3 N4-Cu涂層的抗塑性變形能力(即硬度的立方和彈性模量平方之比H3/E2)最大,達(dá)到0.11 GPa,壓痕測(cè)試發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生諸多細(xì)小的微觀裂紋,裂紋生長(zhǎng)大多為彎曲生長(zhǎng),涂層韌性最好。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明Si含量3.39 at.%的TiAlN/Si

5、3N4-Cu涂層耐磨性最好,磨損機(jī)理以粘著磨損為主,400 oC下高溫磨損測(cè)試發(fā)現(xiàn)其耐磨性能良好。
　　通過改變純Cu靶電源電壓來改變涂層中Cu元素的含量,研究Cu含量(0-3.63 at.%)對(duì)TiAlN/Si3 N4-Cu納米復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響。隨著Cu含量的添加, TiAlN/Si3N4-Cu涂層表面孔洞消失,涂層致密,晶粒尺寸從46.6 nm減小至8.2 nm,涂層的擇優(yōu)取由(111)向(110)轉(zhuǎn)變。高溫抗氧化性能

6、測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)各涂層的氧化動(dòng)力學(xué)曲線符合拋物線規(guī)律,其形成的氧化物具有良好的高溫抗氧化性能。測(cè)試結(jié)果表明:TiAlN/Si3 N4涂層的抗氧化性能最好, Cu含量的添加減弱了TiAlN/Si3N4-Cu納米復(fù)合涂層的高溫抗氧化性能。高溫磨損實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),Cu含量的增加,涂層摩擦系數(shù)從1.4下降至0.6,磨損質(zhì)量從3.34×10-4 mg/N·m減少至1.519×10-4 mg/N·m,耐磨性提高的原因可能與Al元素?cái)U(kuò)散及形成的Al2O3有關(guān)