等离子增强磁控溅射沉积新型纳米复合涂层

论文摘要

纳米复合涂层在工业生产中的应用很多，如汽车零部件，刀具，模具，各种发动机、涡轮机叶片，光学玻璃，耐高温，耐腐蚀和耐疲劳等领域。本文采用等离子增强磁控溅射(PEMS)技术在H13模具钢表面溅射沉积Ti基，TiCr基，TiAl基新型纳米复合涂层。主要研究了Cr、Al、C、O等不同元素的加入对涂层组织结构和性能的影响，这些性能包括硬度、与基体的粘结性、表面能、耐磨、耐高温和耐冲蚀腐蚀性能等，主要得出以下结论：(1)等离子增强磁控溅射技术沉积的涂层致密、少有柱状结构，而且表面粗糙度低。说明在真空室里引入加热的钨丝可以起到等离子增强的效果，这种效果对纳米涂层的致密化起着重要的作用。(2)等离子增强磁控溅射沉积的无氧涂层中，涂层组织致密、少无柱状结构是比较常见的。氧元素的加入使各纳米复合涂层表面变得粗糙，显示出柱状结构和少量的气孔，这种结构对于涂层的组织结构起着不利的影响。然而，通过粘结性能测试结果发现，氧元素的加入可以提高涂层和基体的结合力。表面能测试结果显示：氧元素的加入使Ti基和TiAl基纳米复合涂层的表面能降低，对于含有Cr的涂层，其表面能大小主要受形貌的影响。(3)通过比较各纳米复合涂层的显微硬度测试结果可以看出，H(TiCr based)＞H(TiAl based)＞H(Ti based)，说明多金属复合涂层可以提高涂层的硬度。纳米压痕测试的结果说明：Ti基涂层具有较高的韧性，对于TiAl基涂层而言，氧元素有利于韧性的提高，而对于TiCr基涂层，氧元素使这些涂层的韧性下降很明显。(4)从滑动摩擦磨损试验可以看出：涂层中含有Cr元素明显提高了纳米复合涂层的摩擦系数；然而，涂层中的碳含量越高，其摩擦系数越小。从磨损量来看，硬度越高，涂层的耐磨性能越好。冲蚀磨损试验可以看出，各涂层的耐冲蚀磨损性能是H13钢的3～11倍，且含有氧元素的涂层可以不同程度地提高其耐冲蚀磨损性能。(5) XRD和EDS的结果分析得出涂层中含有非晶态的铝的氧化物、氮化物等结构，这些物质可以提高涂层的耐氧化性能。另外，TiAl基纳米复合涂层具有良好的耐高温氧化性能。(6)通过研究各纳米复合涂层和基体的耐腐蚀性能发现，含有涂层的表面耐腐蚀性能明显增强。比较各涂层可以发现：含有氧的涂层耐腐蚀性能比较差，这主要和表面缺陷有关。另外，增加涂层的厚度可以显著提高其耐腐蚀性能，试验同时发现，涂层中加入Ti、Al元素后，其极化阻力明显增大，且TiAlSiCN纳米复合涂层具有最好的耐腐蚀性能。然而，涂层中的Cr元素并没有很好的提高涂层的耐腐蚀性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面工程技术的分类
• 1.3 纳米复合涂层概述
• 1.4 纳米复合涂层的分类
• 1.4.1 按晶粒尺寸和相邻晶粒间距大小分类
• 1.4.2 按硬度进行分类
• 1.4.3 按物相组成分类
• 1.5 纳米复合涂层的制备工艺
• 1.5.1 化学气相沉积（CVD）
• 1.5.2 物理气相沉积（PVD）
• 1.6 纳米复合涂层在实际中的应用
• 1.6.1 纳米复合涂层在刀具上的应用
• 1.6.2 纳米复合涂层在耐冲蚀领域的应用
• 1.6.3 纳米复合涂层在耐腐蚀领域的应用
• 1.6.4 纳米复合涂层在模具上的应用
• 1.7 TiSiCN 纳米复合涂层
• 1.8 本论文的研究内容和意义
• 1.9 本章小结
• 第二章 等离子增强磁控溅射沉积技术
• 2.1 PEMS 技术的原理
• 2.2 PEMS 技术与传统磁控溅射技术的比较
• 2.2.1 传统磁控溅射技术（CMS）
• 2.2.2 PEMS 技术
• 2.2.3 CMS 和 PEMS 实验结果比较
• 2.3 PEMS 镀膜前的离子清洗
• 2.3.1 真空室及工件的烘烤除气
• 2.3.2 离子清洗
• 2.4 PEMS 镀膜
• 2.5 本章小结
• 第三章 Ti 基、Ti-Me 基纳米复合涂层的制备和性能
• 3.1 试样镀膜前的准备
• 3.2 离子清洗和镀膜参数的设计
• 3.3 镀膜过程中 Si 的获取
• 3.4 纳米薄膜的表征技术
• 3.4.1 扫描电子显微技术（SEM）
• 3.4.2 表面轮廓分析（Stylus Profilemeter）
• 3.4.3 X 射线衍射（XRD）
• 3.4.4 原子力显微分析（AFM）
• 3.4.5 表面能（Surface Energy）
• 3.4.6 硬度（Hardness）
• 3.5 摩擦磨损性能测试
• 3.5.1 固体颗粒物对工件的冲蚀（Solid Particle Erosion）
• 3.5.2 摩擦磨损试验
• 3.6 电化学性能
• 3.7 高温性能
• 3.8 本章小结
• 第四章 Ti 基、Ti-Me 基纳米复合涂层的组织和物理性能
• 4.1 纳米复合涂层的组织结构
• 4.2 AFM 结果分析
• 4.3 X 射线衍射分析
• 4.4 成分分析结果
• 4.5 涂层和基体之间的结合力
• 4.6 显微硬度
• 4.7 纳米压痕测试
• 4.8 表面能测试结果分析
• 4.9 摩擦磨损试验结果
• 4.9.1 滑动摩擦磨损性能测试结果
• 4.9.2 冲蚀磨损试验结果
• 4.10 耐高温氧化性能测试
• 4.10.1 试验方法和耐高温氧化性能表征
• 4.10.2 耐高温氧化性能测试结果与分析
• 4.11 本章小结
• 第五章 Ti 基、Ti-Me 基纳米复合涂层的电化学性能
• 5.1 试验方法
• 5.2 开路电位 OCP 的测试结果
• 5.3 线性极化 LPR 的测试结果
• 5.4 交流阻抗谱 EIS 测试结果
• 5.5 动电位极化扫描（PDS）测试结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 总结
• 6.2 本文创新之处与工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文