论文部分内容阅读
纳米复合涂层因具有超高硬度和优异的高温稳定性备受关注,但由于在制备过程中不可避免的会含有氧杂质,导致涂层性能不稳定,限制了其广泛应用。而且目前关于氧含量对涂层性能和结构影响的研究并不是很多。另一方面,沉积粒子的能量对涂层的结构和性能也有很大影响,因此在实际制备过程中,通常通过调节沉积偏压来控制沉积粒子的能量。本文采用多弧离子镀在硬质合金上制备CrAlSiON涂层,通过改变反应气体中O：和N2的流量比来控制涂层中氧含量。通过SEM、XRD、纳米压痕和划痕测试等方法系统研究不同氧含量对涂层的显微结构、力学性能、摩擦磨损性能；利用真空退火测试研究涂层的高温热稳定性。在此基础上,通过改变沉积偏压,研究沉积粒子的能量对涂层组织结构和性能影响的规律,以及涂层在高温环境过程中结构性能的演化机理。1.改变O2/O2+N2比例从0至18%制备CrAlSiON涂层,获得含氧量0至62.19at.%,成功实现了涂层氧含量的可控。涂层中主要为CrN和A1203晶体,较低含氧时涂层的表面颗粒、孔洞等缺陷较少,表面粗糙度较小；随着氧含量增加,涂层的硬度逐渐降低,氧含量为48.4at.%时硬度仅为21.43GPa,之后氧含量继续增大,硬度值保持在这一水平,涂层的弹性模量与H3/E*2的变化趋势与此类似；较高含氧时,涂层的结合强度比较低含氧时差,含氧为62.19at.%时临界载荷为45.48N,而20.22at.%时为68.17N；高温摩擦磨损实验中,涂层的主要磨损形式为磨粒磨损和粘着磨损,涂层均被磨穿；随着退火温度升高,涂层中因为相分解产生了六方结构的Cr2N相,这导致涂层的硬度、弹性模量、H3/E*2和结合强度等性能逐渐变差。2.通入O2/02+N2比例为2%,改变偏压从-60V至-200V制备CrAlSiON涂层。涂层中氧含量为22at.%至25at.%,且较高偏压时制备的涂层比较低偏压时氧含量稍多,另外较高偏压制备的涂层表面质量较好,粗糙度较小；随着偏压升高,涂层的硬度呈先增大再减小然后保持平稳的变化趋势,-80V时获得最大硬度为33.69GPa,涂层弹性模量和H3/E*2的变化趋势与此类似；涂层的结合强度随着偏压升高而缓慢增大,临界载荷由63.58N增大至74.36N；在不同转速时的常温摩擦磨损试验中,磨损率变化均为较低偏压制备的涂层比较高偏压制备的涂层小,-80V时制备的涂层获得最小磨损率；高温摩擦磨损实验中,三个温度下都是较高偏压制备的涂层磨损更为严重,而在-80V和-100V时磨损率最小；随着退火温度升高,涂层中因为相分解产生了六方结构的Cr2N相,这导致涂层的硬度、弹性模量、H3/E*2和结合强度等性能逐渐降低。3.通入O2/O2+N2比例为12%,改变偏压从-60V至-200V制备CrAlSiON涂层。涂层中的氧含量为55at.%至60at.%,随着偏压升高,氧含量先增多后减少；涂层中主要为CrN相和A1203相,且在较高偏压时峰强度有所降低,晶粒尺寸呈增大趋势；随着偏压升高,涂层的硬度、弹性模量、H3/E*2和结合强度呈逐渐增大趋势；常温摩擦磨损试验中,较低偏压制备的涂层被磨穿,而较高偏压制备的涂层耐磨性较好,未被磨穿；经过退火处理后,随着温度升高,涂层的硬度、弹性模量和H3/E*2呈缓慢增大趋势,而结合强度则逐渐降低。