复合离子镀CrAlN膜及其多层结构的研究

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TiN薄膜以其漂亮的金黄色、良好的导电导热性能和硬度高等优良特性,被广泛用于机械工业中的刀具、模具,但其容易被氧化,在高速切削而引起的高温耐磨环境中的使用受到了限制。人们掺入Al元素,形成TiAlN薄膜,不但有效的提高了薄膜的硬度还能有效增加其抗氧化温度,在一定程度上解决了这一问题;CrN虽然硬度比TiN稍低,但它抗氧化性、耐磨性都要优于TiN,因而向CrN中添Al有望改善薄膜的抗氧化性,近年来随着对耐摩材料的要求不断提高,CrAlN薄膜的研究也逐步被关注。纳米多层膜可以提高薄膜的耐磨性、硬度,增加使用寿命,因此本文以此为出发点,期望能制备多出更加优良性能的CrAlN薄膜。  本研究采用阴极电弧离子镀和磁控溅射相结合复合镀的方法分别离化纯度为99.99%的铬靶和铝靶,同时沉积在高速钢和硅片上。分别单一改变脉冲偏压幅值和占空比以及沉积气压研究对单层薄膜的影响;改变调制周期和调制比制备Cr/CrAlN多层膜,分析多层膜结构是否有助于力学性能的改善,研究实验的工艺参数对多层膜晶体结构和机械性能的影响,摸索最佳的实验条件;结合实验结果,对多层膜制备,结构和性能的关系进行理论解释。  实验结果表明:随着脉冲偏压增大,硬度增加,在500V时,硬度达到最大为1812 Hv,而且表面形貌变好;随着沉积气压的增加,CrAlN薄膜的显微硬度显著增大,在1.1 Pa时,硬度达到最大为2500 Hv;随着占空比增加,薄膜硬度先变大后变小,40%时薄膜硬度最大。随着周期增多硬度增大,出现了硬度加强效应,薄膜结合力也增强了,因此更加耐磨,不易脱落;分析摩擦系数随着调制比的变化关系,可以发现,调制比主要影响薄膜的力学性能,薄膜的摩擦系数受调制比的影响不大。
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