DLC-TiAlSiN復(fù)合涂層制備及微觀組織結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、納米復(fù)合涂層（TiSiN或 TiAlSiN）具有超高的硬度，良好的熱穩(wěn)定性和高溫抗氧化能力，已經(jīng)引起了研究者的廣泛關(guān)注，然而，納米復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)較高，缺少自潤(rùn)滑特性。此外，目前的制備技術(shù)也存在一定工藝上的局限，如：等離子體輔助化學(xué)氣相沉積（PECVD）的涂層沉積溫度較高，對(duì)精密零部件的表面處理產(chǎn)生一定限制；反應(yīng)磁控濺射存在“靶中毒”問(wèn)題，涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度較低；多弧離子鍍存在“大顆?！眴?wèn)題，影響了涂層的表面質(zhì)量和力學(xué)性能等。等離子

2、體浸沒(méi)離子注入與沉積（PIIID）技術(shù)具有低溫處理和膜基結(jié)合強(qiáng)度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，將PIIID技術(shù)用于納米復(fù)合涂層制備，將具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的理論意義。
　　本文設(shè)計(jì)了一套多陰極等離子體注入與沉積裝置，利用磁過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行約束和引導(dǎo)，在優(yōu)化磁場(chǎng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，研究了不同磁過(guò)濾系統(tǒng)引出離子的分布均勻性及合成涂層的表面質(zhì)量和沉積速率。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的多陰極等離子體注入與沉積裝置可實(shí)現(xiàn)多個(gè)陰極同時(shí)放電，引出的等離

3、子體分布具有一定的直射性，并呈現(xiàn)逆時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)，隨著磁過(guò)濾器彎曲角度增加，涂層的表面質(zhì)量提高，而涂層的沉積速率降低。
　　本文采用設(shè)計(jì)的多陰極等離子體注入與沉積裝置成功地制備了TiAlSiN納米復(fù)合涂層，通過(guò)調(diào)整Ti和SiAl陰極的主弧脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)了TiAlSiN涂層組成成分的大范圍調(diào)節(jié)。微觀組織結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明：TiAlSiN涂層具有典型的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，即n-TiAlN包裹在a-Si3N4矩陣中，Si元素含量對(duì)涂層的微觀組織結(jié)

4、構(gòu)和力學(xué)性能具有重要影響。隨著涂層中Si元素含量的增加，涂層的納米晶尺寸逐漸降低，當(dāng)Si含量為6.0％時(shí)，涂層具有超高的硬度40GPa和良好的結(jié)合強(qiáng)度。在涂層微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)Si元素含量為6.0%TiAlSiN涂層的高溫性能及微觀組織結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行深入分析。研究結(jié)果表明：TiAlSiN涂層表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性和抗氧化能力，經(jīng)800℃高溫真空退火處理后，涂層仍具有超高的硬度約42GPa。在800℃高溫氧化過(guò)程中，

5、TiAlSiN涂層的結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，無(wú)明顯Ti、Al和Si元素?cái)U(kuò)散發(fā)生，原位生成的氧化層仍然保持著納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，其硬度高達(dá)41GPa。
　　為了降低TiAlSiN涂層的摩擦系數(shù)，本文將碳元素?fù)诫s到涂層中，合成了DLC-TiAlSiN復(fù)合涂層，研究了碳摻雜對(duì)涂層微觀組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)及摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：DLC-TiAlSiN涂層具有典型的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，即n-TiCN鑲嵌在DLC、a-Si3N4、a-SiC和a-CN矩陣中

6、，隨著碳元素含量的增加，涂層中納米晶尺寸降低，相鄰晶粒間距增大。當(dāng)涂層的納米晶間距和DLC含量較小時(shí)，涂層表現(xiàn)出超高的硬度約50GPa和較高的摩擦系數(shù)。隨著納米晶間距和DLC含量增加，涂層的自潤(rùn)滑性能增強(qiáng)，但涂層的硬度逐漸降低。同時(shí)進(jìn)一步分析了DLC-TiAlSiN涂層在高溫服役過(guò)程中微觀組織結(jié)構(gòu)的演化特征及高溫失效機(jī)制，研究結(jié)果表明：經(jīng)800℃高溫真空退火處理后，DLC-TiAlSiN涂層仍然保持穩(wěn)定的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，但涂層中DLC發(fā)生