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《重庆大学》 2009年
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镁合金表面磁控溅射沉积Cr基涂层的结构与特性研究

石永敬  
【摘要】: Mg合金是未来最有潜力的结构材料之一,但表面质软和易腐蚀是需要解决的重要问题。虽然当前应用在Mg合金上的表面处理技术改善了Mg合金表面的性能,但所制备的涂层在结合性能、摩擦磨损以及机械性能均不能满足Mg合金在关键零部件领域的应用。磁控溅射是目前主流的PVD表面处理技术之一,制备的涂层具有结合性能强和致密度高的优点;所需的沉积温度低,可以满足Mg合金低工艺温度的要求。因此,磁控溅射技术沉积硬质涂层为改善Mg合金表面的摩擦磨损提供了一种思路。 在目前的研究工作中,采用平面磁控溅射技术在Mg合金上沉积CrNx涂层和CrNxOyCz涂层,并通过扫描电镜(SEM)、光电子能谱(XPS)以及X-射线衍射(XRD)等分析技术对涂层的结构特性进行了表征。采用非平衡闭合磁场磁控溅射离子镀技术沉积CrTiAlN涂层,通过透射电镜(TEM)、显微硬度仪以及摩擦磨损实验研究涂层在Mg上的界面结构、机械性能以及摩擦磨损性能。此外,还讨论了柱状晶的生长和表面轮廓的演化特征。主要研究结果如下: ①CrNx涂层的结构特性取决于沉积的工艺,包括衬底温度、N2浓度、靶电流密度以及衬底偏压。沉积速度是电流密度的二次增长函数关系,而增加的N2含量导致沉积速度呈指数的衰减。在Mg合金上的CrNx涂层随着N2浓度的增加则趋向于形成更为开放的边界。 ②CrN涂层的沉积涉及到Cr桥接层、CrNx过渡层以及化学比的CrN层。Cr膜在镁合金上的柱状生长起源于网状膜,CrN涂层的柱状生长机制包括遮蔽和吞并。面内平均直径和粒度的方差σ2均与厚度呈线性关系,表面的粗糙度值与厚度呈现指数的关系。 ③衬底表面轮廓在涂层表面的演化取决于涂层的厚度,表面轮廓随着涂层的增厚趋于平滑。由于相内粗化,表面粗糙度随着涂层的增厚而增加,同时偏置功率的增加也会导致表面轮廓的偏差减小。CrNx涂层的表面粗糙度与N原子浓度呈线性关系,与厚度呈指数关系。 ④CrNxOyCz涂层为柱状生长,涂层中含有CrN、Cr2N、Cr3C2、Cr2O3、CrO2以及CrNxOy相;污染或氧化的O和C原子浓度在表面的深度分布服从衰减的一阶指数函数,涂层中的Cr3C2和Cr2N属于非稳定相。涂层的摩擦磨损特性比CrNx涂层的要差。 ⑤AZ31-Mg合金的标准磨损率SWR达到1055×10-15m3·N-1·m-1,而在Mg合金上的CrTiAlN涂层的SWR只有2.4×10-15m3·N-1·m-1。偏压在-50V时CrTiAlN涂层的结合力达到10N。 ⑥当在中N2水平和衬底偏压为-55V时,CrTiAlN涂层和摩擦副WC-Co6%球之间的磨损最小,摩擦系数能够稳定在0.2-0.3。CrTiAlN/MoS2涂层的摩擦磨损性能比CrTiAlN涂层明显改善,滑动摩擦循环次数Nc达到70000次,摩擦系数能够稳定在0.2-0.35之间。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG174.4

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