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反应磁控溅射法制备Ti（C，N）镀层的组织结构与性能研究

2020-12-07阅读(958)

反应磁控溅射法制备Ti（C，N）镀层的组织结构与性能研究

论文摘要

本文采用反应磁控溅射技术并选择石墨靶材作为镀层生长中所需的碳源,制备了一系列碳含量不同的Ti（C, N）镀层。使用X射线衍射、扫描电子显微镜及透射电子显微镜、X射线光电子能谱对所制备镀层的相组成、晶体结构、成分及微观组织进行了检测与分析；使用维氏显微硬度计、洛氏压痕和销盘试验机对所制备镀层的硬度、结合强度以及摩擦磨损性能进行了测试。研究结果表明：所制备的TiN镀层和Ti（C, N）镀层具有致密的柱状显微组织而TiC镀层具有纳米晶和少量非晶的混合组织,同时,Ti（C, N）镀层和TiC镀层还具有典型的层周期仅为几纳米的多层结构。石墨靶材电流的变化对Ti（C,N）镀层的相组成及结构有很大影响,随石墨靶材电流的增加,镀层内晶体相逐渐由富TiN相转变为富TiC0.7N0.3相,在高的石墨靶材电流下,还出现了TiC相,并且Ti（C, N）镀层内还存在少量价键结构为sp2 C-C的碳单质。Ti（C, N）镀层微观组织随石墨靶材电流增加逐渐由细小的柱状组织转变为纳米颗粒镶嵌在非晶基体的纳米复合组织,增加石墨靶材电流不仅明显细化了镀层内晶粒尺寸而且也减少了纳米复合镀层内纳米颗粒数量。多层Ti（C,N）镀层在多层周期厚度较小时镀层仍为柱状生长,而随着石墨靶材电流的增加多层周期厚度逐渐增大并且镀层内柱状组织逐渐消失。Ti（C, N）镀层具有高硬度（44 GPa）、和基体良好的结合以及低的摩擦系数（0.25）,这些性能与镀层内细小的晶粒尺寸以及镀层内存在少量的sp2 C-C的碳单质有关。少量石墨相的出现并没有降低Ti（C, N）镀层的硬度,这是因为镀层的纳米多层结构不仅明显增加了镀层的硬度而且当承受加载时能有效释放应力集中从而增加镀层的结合强度。Ti（C, N）镀层的这些优异的综合力学性能及独特的组织结构使镀层还具有优异的抗磨损性能,与TiN镀层和TiC镀层相比,体积比磨损率降低了一个数量级。相比于Ti（C, N）镀层,Ti（C, N）/GLC复合镀层表现出了更优异的抗磨损性能,这不仅因为底层Ti（C, N）镀层的高硬度及良好的结合性能,还与表层GLC镀层低的摩擦系数有关。该复合镀层结合了Ti（C, N）镀层和GLC镀层两者的优点,进一步提高了镀层的抗磨损性能。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 Ti（C,N）镀层的性能
  • 1.2 Ti（C,N）镀层的制备技术
  • 1.2.1 化学气相沉积
  • 1.2.2 物理气相沉积
  • 1.3 Ti（C,N）镀层的应用
  • 1.4 论文研究的目的和意义
  • 1.4.1 研究目的
  • 1.4.2 研究意义
  • 2 实验方法与内容
  • 2.1 Ti（C,N）镀层的设计
  • 2.2 Ti（C,N）镀层的制备
  • 2.2.1 镀膜设备
  • 2.2.2 工艺参数
  • 2.3 镀层组织结构和性能检测
  • 2.3.1 Ti（C,N）镀层组织结构检测与观察
  • 2.3.2 Ti（C,N）镀层性能检测
  • 3 Ti（C,N）镀层的组织结构与性能
  • 3.1 Ti（C,N）镀层的组织结构
  • 3.1.1 TiN、TiC及Ti（C,N）镀层的相组成及晶体结构
  • 3.1.2 TiN、TiC及Ti（C,N）镀层的横截面形貌
  • 3.1.3 TiN、TiC及Ti（C,N）镀层的微观组织
  • 3.1.4 Ti（C,N）镀层的成分和化学态
  • 3.2 Ti（C,N）镀层的力学及摩擦磨损性能
  • 3.2.1 表面粗糙度和厚度
  • 3.2.2 硬度
  • 3.2.3 结合强度
  • 3.2.4 摩擦磨损性能
  • 3.3 分析和讨论
  • 3.3.1 硬化机制讨论
  • 3.3.2 摩擦磨损机制讨论
  • 4 Ti（C,N）/GLC复合镀层的组织结构与性能
  • 4.1 Ti（C,N）/GLC复合镀层的组织结构
  • 4.1.1 T（C,N）/GLC复合镀层的相组成及晶体结构
  • 4.1.2 Ti（C,N）/GLC复合镀层的横截面形貌
  • 4.1.3 Ti（C,N）/GLC复合镀层的微观组织
  • 4.2 Ti（C,N）/GLC复合镀层的性能
  • 4.2.1 表面粗糙度和厚度
  • 4.2.2 硬度和结合强度
  • 4.2.3 摩擦磨损性能
  • 4.3 分析和讨论
  • 5 结论
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文和专利

    • 相关论文文献

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