钢基表面磁控溅射法C/SiC双层薄膜制备研究

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本课题采用磁控溅射的方法在以GCr15为主的基材上制备了C/SiC双层耐磨减摩薄膜:用射频磁控溅射法分别在衬底加热与不加热时首先沉积一层SiC硬膜,然后采用直流磁控溅射法在其表面沉积非晶碳膜。采用X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)方法对薄膜结构进行表征。实验结果表明衬底不加热时制备的SiC薄膜为典型的非晶结构,在较高衬底温度下得到的SiC薄膜部分晶化,但不能形成比较好的β-SiC结构,而双层薄膜在衬底温度为500℃时却得到了非常好的β-SiC结构。薄膜表层的拉曼光谱分析结果表明双层膜的表层为类金刚石结构。另外,还对SiC单膜进行真空高温退火,结果表明在800℃以上才出现SiC晶态峰,在1000℃时薄膜主要表现为β-SiC结构,但通过退火的方法得到的SiC结构都为多种晶型的混合结构。借助扫描电镜对薄膜形貌进行观察。实验发现衬底不升温时制得的SiC单膜缺陷较多,呈现大块状的非晶SiC。衬底升温后非晶的缺陷被填满,薄膜组织较致密。加入非晶碳制成双层薄膜后,SiC薄膜被致密的非晶碳膜覆盖。SiC单膜经退火后形貌在800℃时为块状,1000℃时出现均匀而细小的SiC晶态颗粒,1200℃时SiC颗粒已明显长大,达到300~400nm。采用划痕仪对薄膜与基材的结合力进行测试。结果表明在较低的气压沉积薄膜时,由于应力太大薄膜容易崩裂;衬底升温能增加薄膜原子的扩散有效提高膜基结合力。而SiC与C的结合则由于SiC单膜表层富Si,在加入C后形成由富硅SiC到非晶碳膜的过渡,结合良好。加入Ni-P和Ti中间层后薄膜与基材的结合力都有非常大的提高,能从原来的16N提高到30N以上。采用摩擦磨损实验仪对试样的摩擦学性能进行检测。试样基片原始摩擦系数为0.8~0.9,SiC单膜的摩擦系数为0.4~0.5,C/SiC双层薄膜的摩擦系数为0.1~0.2;显微硬度计测试结果显示SiC单膜的硬度最高能达到35GPa;这些表明双层薄膜具备优良的耐磨减摩性能。
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