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强流脉冲离子束类金刚石薄膜沉积及高速钢辐照处理研究

梅显秀  
【摘要】: 根据强流脉冲离子束(High Intense Pulse Ion Beam—HIPIB)技术具有快速沉积薄膜和材料表面辐照处理改性的特点,而目前对其薄膜沉积和材料辐照处理缺乏系统研究,本论文的工作分为两部分,其一是类金刚石薄膜(Diamond like carbon—DLC)沉积,其二是高速钢直接辐照处理表面改性。 在薄膜沉积方面,利用高纯石墨作靶材,调整薄膜沉积过程中的靶基距(烧蚀等离子体密度、离子能量)和基片温度,研究实验工艺对HIPIB烧蚀等离子体方法制备的DLC薄膜的微观结构和宏观物理性能的影响,探讨了HIPIB烧蚀等离子体沉积DLC薄膜的成膜机理。实验结果表明,利用HIPIB烧蚀等离子体在Si基体上可以实现快速、大面积、均匀地沉积类金刚石薄膜,薄膜的瞬时沉积速率达到1mm/s,均匀薄膜的面积达到40—50cm~2。分析显示,DLC薄膜是非晶结构的C膜,其sp~3C含量在8%~40%之间,表面粗糙度在0.75~8.4nm之间,宏观残余应力为GPa的量级,显微硬度在15~30GPa之间,光学带隙在0.8~2eV之间,摩擦系数在0.1~0.25之间,磨损机制是磨粒磨损。 研究发现,基片温度对DLC薄膜的结构和性能影响最明显,随着薄膜沉积过程中基片温度的增加,DLC薄膜中的sp~3C含量减少,DLC薄膜的表面粗糙度增加,DLC薄膜的显微硬度降低,DLC薄膜的摩擦系数增大,DLC薄膜的残余应力都是减小的,光学带隙Eg变窄。当基片温度为100℃时沉积的DLC薄膜的综合性能最好,此时沉积的DLC薄膜中sp~3C含量最高,达到40%多,是美国学者用同种方法所得结果的2倍;由于薄膜sp~3C的含量高使得其显微硬度达到30GPa,摩擦系数最小为0.10,光学带隙最宽为1.76eV。当基片温度达到300℃时所沉积的DLC薄膜中sp~3C含量开始减少,表明HIPIB烧蚀等离子体沉积的DLC薄膜的石墨化转变温度提高到300℃(其他方法一般低于200℃)。 此外,靶基距对DLC薄膜的结构和性能也有一定的影响,随着靶基距增加,DLC薄膜中的sp~3C含量减少,DLC薄膜的表面粗糙度降低,显微硬度降低,摩擦系数减小,残余应力减小,光学带隙Eg减小。 在HIPIB轰击材料表面方面,本文选择成分由C~(n+)(30%)和H~+(70%)组成、加速电压为250KV、脉冲宽度为80~100ns的HIPIB对高速钢(W6Mo5Cr4V2)进行表面辐照处理,研究离子束流密度和脉冲次数对高速钢微观结构和宏观性能的影响,探讨了HIPIB与材料表面相互作用的物理机制。 通过分析得出,HIPIB与材料表面的相互作用过程可以用“雨滴”模型进行解释:即HIPIB轰击材料表面,不但是离子注入过程,也是能量注入过程,而且能 摘要 量不是均匀分布的,就好像是带能量的雨滴打到松软的地面上一样,由于动量的 反冲作用和冲击波的作用使得在HSS表面离子到达点为中心的位置上形成熔坑, 而熔坑的密度和分布与HIPIB的束流密度和脉仲次数是有关系的。HIPIB辐照处 理后高速钢表面层发生由马氏体向奥氏体的转变,同时HSS表面层中的碳化物溶解; 随着离子束流密度的和脉冲次数的增加,HSS表面层的奥氏体含量增加,HSS表面有针 状马氏体组织出现。 HIPIB辐照后HSS表面层的碳化物溶解生成纳米晶,并且碳化物弥散地分布于基体 中,基体晶粒细化,同时发现有非晶、孪晶及纳米晶等非平衡亚稳相结构;由于受到冲 击波的作用,位错重新分布并交织成网状。 HPIB处理后深度达到2皿叩左右范围内高速钢的显微硬度提高,HINB辐照后 HSS的耐磨性能提高2倍多,而耐腐蚀性能也有所提高。非晶、纳米晶、孪晶等非平衡 亚稳相的出现和残余奥氏体的产生以及冲击波导致的网状分布的位错交织现象是HSS 宏观物理性能提高的根本原因。


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