磁控溅射沉积系统设计及SiC-Al薄膜的摩擦特性研究

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本文利用自主研发的超高真空物理气相沉积设备在基材(Ti-6Al-4V)上沉积出了性能优异的SiC薄膜,并创新性地使用Al过渡层作为薄膜与基材之间的中间层,解决了二者间的结合强度问题;在薄膜中掺杂Al元素成功地解决了SiC薄膜的摩擦性能问题。同时,中间层材料与掺杂材料均为Al元素,可以简化沉积工艺和沉积设备,使得可以用双靶磁控溅射设备完成整个沉积过程,为解决钛铝合金的磨损问题提供了一种可靠的方法。  为了满足研究保护性涂层薄膜的需要,本文首先依据研究实践经验和相关技术,完成了射频磁控溅射物理沉积系统(RF-MS PVD)的制造,其中以旋片泵、扩散泵和钛泵组成的三级超高真空系统,可以在30分钟内使0.23立方米的真空室达到1.33×10-6 Pa以上的真空度。  本研究中使用 Al靶和 SiC靶在钛合金基材上溅射沉积得到了无定形的的SiC-Al薄膜,着重研究了Al掺杂含量、中间层厚度和摩擦副材料等参数对薄膜摩擦特性和界面结合强度的影响。当摩擦副为SiC时,随着薄膜中Al原子含量的增加,SiC球与SiC-Al薄膜之间的摩擦系数先降低后增加,在Al原子含量为0.97%mat时, SiC-Al薄膜有最低摩擦系数为0.08;SiC-0.97%matAl薄膜与SUS304和Al2O3球之间的摩擦系数在0.1左右,而其与SUJ2轴承钢球之间有最低的摩擦系数(0.04-0.07)。通过多次重复实验,确认了这两种材料之间有很低的摩擦系数;磨耗试验中,在Al中间层的厚度超过0.2μm以上时,SiC-Al薄膜的疲劳寿命超过了34000循环,薄膜几乎被磨光,而在此过程中没有出现剥离分层现象,这表明以Al作为SiC-0.97%matAl与钛合金基材的中间层材料能够很好地改善它们间的界面结合强度。
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