工业纯铁Cr-N薄膜表面改性

论文摘要

为了提高工业纯铁耐腐蚀性,本论文采用非平衡磁控溅射技术在工业纯铁表面制备不同成分和结构的Cr-N单层膜,Cr/CrN多层膜和Ti/TiN/Cr/CrN多层复合薄膜。采用表面轮廓仪测量薄膜的厚度和残余应力。利用X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征薄膜的结构和成分。使用维氏显微硬度仪、销盘式摩擦磨损试验机和划痕试验机评价薄膜的硬度、耐磨性和膜基结合强度。采用电化学腐蚀和高温水蒸气循环腐蚀检测材料的耐腐蚀性能。依据电化学腐蚀中的极化曲线,选取合适的范围,用电量法计算薄膜的孔隙率。获得的主要结论如下:1.不同的氮气流量下制备一系列Cr-N薄膜发现,氮气流量为6sccm时,薄膜主要相组成物为Cr和Cr2N,具有高的压应力和高的硬度;氮气流量增大到20sccm,薄膜组成相为Cr2N和CrN,薄膜具有优良的耐磨损和抗腐蚀性能,应力为较小的拉应力;氮气流量继续增大到30sccm时,薄膜相组成为CrN,薄膜具有优良的耐磨损和抗腐蚀性能,最高的膜基结合强度。偏压从-50V增大到-100V和-150V后,薄膜拉应力变为压应力,薄膜硬度提高,由于较大的压应力,薄膜的耐磨性能和耐腐蚀性能降低。2.为了抑制单层膜中柱状晶的生长,在铁基体表面沉积调制周期不同的Cr/CrN薄膜多层膜。调制周期为180s所制备的Cr/CrN薄膜呈现了很好的周期性,膜基结合强度更大。在纯铁基体表面制备多层Cr/CrN多层薄膜可以明显提高基体在30g/LNaCl溶液中的耐腐蚀性。高温水蒸气循环腐蚀结果表明,调制周期为180s所制备的Cr/CrN薄膜可以为铁基体提供最好的保护。Cr/CrN多层膜孔隙率也远低于CrN单层膜,充分证明了适宜周期制备的多层膜表面致密,拥有优异的耐腐蚀性能。3.对铁样品进行氮离子注入和薄膜制备的复合处理后发现,复合处理的后的样品具有更优良的耐磨损和耐腐蚀性能。厚度大致相同的情况下,Cr/CrN多层膜与Ti/TiN/Cr/CrN多层复合膜相比,前者具有更好的耐腐蚀性能和更低的孔隙率,后者拥有更优良的硬度和耐磨损性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 物理气相沉积（PVD）薄膜概述
• 1.1.1 溅射镀
• 1.1.2 蒸发镀
• 1.1.3 离子镀
• 1.2 PVD制备Cr-N系列薄膜的性能及应用
• 1.3 本论文研究目的及内容
• 第2章 实验方法及原理
• 2.1 薄膜制备
• 2.2 薄膜的表面形貌表征
• 2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.2 原子力显微镜（AFM）
• 2.3 薄膜的结构表征
• 2.4 薄膜的成分表征
• 2.5 薄膜的厚度及内应力表征
• 2.6 薄膜的机械性能表征
• 2.6.1 薄膜的显微硬度
• 2.6.2 薄膜的磨损性能
• 2.7 薄膜的耐腐蚀性能及孔隙率表征
• 2.7.1 高温水蒸汽环境下的热循环腐蚀
• 2.7.2 30g/L NaCl溶液中的电化学腐蚀
• 2.7.3 薄膜孔隙率
• 2.8 薄膜的膜基结合力表征
• 第3章 Cr-N单层薄膜制备及性能研究
• 3.1 不同氮气流量下CrN薄膜的制备及研究
• 3.1.1 薄膜制备
• 3.1.2 原子力显微镜结果及分析
• 3.1.3 光电子能谱结果及分析
• 3.1.4 X射线衍射结果及分析
• 3.1.5 残余应力结果及分析
• 3.1.6 显微硬度结果及分析
• 3.1.7 摩擦磨损结果及分析
• 3.1.8 电化学腐蚀结果及分析
• 3.1.9 膜基结合性能结果及分析
• 3.2 基体偏压对CrN薄膜性能的影响
• 3.2.1 薄膜制备
• 3.2.2 原子力显微镜结果及分析
• 3.2.3 X射线衍射结果及分析
• 3.2.4 残余应力结果及分析
• 3.2.5 显微硬度及分析
• 3.2.6 摩擦磨损结果及分析
• 3.2.7 电化学腐蚀结果及分析
• 3.2.8 膜基结合强度结果及分析
• 3.3 小结
• 第4章 Cr-N多层薄膜制备及性能研究
• 4.1 Cr-N多层薄膜制备
• 4.2 表面扫描电镜结果及分析
• 4.3 断面扫描电镜形貌结果及分析
• 4.4 膜基结合强度结果及分析
• 4.5 电化学腐蚀和孔隙率结果及分析
• 4.6 高温水蒸汽循环腐蚀结果及分析
• 4.7 小结
• 第5章 工业纯铁复合处理表面改性
• 5.1 多层复合薄膜制备
• 5.2 显微硬度结果及分析
• 5.3 摩擦磨损结果及分析
• 5.4 电化学腐蚀和孔隙率结果及分析
• 5.5 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间所发表的论文