论文部分内容阅读
本文采用电弧离子镀和磁控溅射技术在304不锈钢基体上制备TiAlN、TiAlN/Cu、TiAlN/Si3N4-Cu涂层，研究了制备工艺和Si、Cu含量对涂层微观结构、力学性能、耐磨性能等的影响，主要研究结果如下：1)在Ti50Al50靶和基体中间放置圆形金属挡板，研究挡板尺寸对电弧离子镀TiAlN涂层力学性能及摩擦学性能的影响。随着挡板尺寸由Φ0mm增大到Φ120mm，涂层中Ti含量降低，Al含量升高，N原子含量基本保持不变。添加挡板后涂层沉积速率由80nm/min减小为20nm/min以下，显微硬度从HV0.12097提高到HV0.12502，但膜基结合力由30N下降为10N。无挡板时TiAlN涂层摩擦系数最小为0.6，与表面熔滴在磨损过程中起到一定润滑减摩作用有关。2)固定挡板尺寸为Φ100mm，研究基体负偏压对电弧离子镀TiAlN涂层性能影响。在0V-550V范围内，随着所加负偏压数值的增大，涂层中Ti含量上升，Al含量下降。TiAlN涂层沉积速率在-150V偏压时沉积速度最快为14.6nm/min，继续增加偏压沉积速率下降。适当偏压能有效改善涂层表面质量，使涂层硬度上升。TiAlN涂层摩擦系数在偏压为-150V时最小为0.25，磨损失重最小。3)采用直流磁控溅射技术在304不锈钢基体上沉积TiAlN和TiAlN/Cu涂层，研究Cu含量对TiAlN涂层微观结构、内应力和抗氧化性能的影响。TiAlN涂层中加入Cu元素后涂层晶粒得到细化，显微硬度由HV0.12410提高至HV0.12530，Cu含量超过1.07at.%导致涂层硬度降低。随Cu含量从0增加到9.44at.%，TiAlN/Cu涂层的膜基结合力增大，涂层内应力增加。Cu含量在1.07at.%时TiAlN涂层摩擦系数最小，约为0.15。低Cu含量TiAlN涂层具有与TiAlN类似的较好的抗高温氧化性能，高Cu含量TiAlN涂层抗氧化性能较差。4)采用磁控溅射技术在304不锈钢基体上沉积Ti-Al-Si-N和不同Cu含量的TiAlN/Si3N4-Cu涂层，研究Cu含量对TiAlN/Si3N4-Cu纳米复合涂层组织结构、力学性能和摩擦学性的影响。Cu含量为1.00at.%-1.72at.%时，TiAlSiN涂层中晶粒得到显著细化，继续增加Cu含量，TiAlN/Si3N4-Cu涂层晶粒开始变大。Cu含量为1.00at.%时TiAlN/Si3N4-Cu涂层具有最好的抗裂纹扩展能力，同时具有最高的硬度和最小的残余应力。Cu加入后TiAlN/Si3N4-Cu涂层摩擦系数显著下降，在磨损过程中，Ti-Al-Si-N涂层以磨粒磨损和黏着磨损为主，随着涂层中Cu含量的增加，磨粒磨损减轻。