【摘 要】
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CrN薄膜的内应力低,韧性好,化学稳定性高,耐磨耐蚀性能好,并且在制备过程中与基材的结合强度大,沉积速率快,所以备受关注。用磁溅射方法制备的CrN虽然有膜基结合力较好等优点,但是暴露出内部缺陷较多等问题,影响薄膜的质量。高功率脉冲磁控溅射(high power impulse magnetron sputtering,HiPIMS)具有靶材离化率高、占空比低,所制薄膜致密等优点,能提高CrN涂层的
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CrN薄膜的内应力低,韧性好,化学稳定性高,耐磨耐蚀性能好,并且在制备过程中与基材的结合强度大,沉积速率快,所以备受关注。用磁溅射方法制备的CrN虽然有膜基结合力较好等优点,但是暴露出内部缺陷较多等问题,影响薄膜的质量。高功率脉冲磁控溅射(high power impulse magnetron sputtering,HiPIMS)具有靶材离化率高、占空比低,所制薄膜致密等优点,能提高CrN涂层的性能。除此之外,在更苛刻的应用条件下,即使提高CrN薄膜的质量,但是二元涂层的硬度和耐磨性依然不能满足要求,限制了CrN涂层的发展。所以本文以改善CrN基涂层的力学性能以及摩擦学性能为出发点,利用HiPIMS制备并研究了不同CrN基涂层的性能。主要结论如下:(1)当偏压为-300V时,CrN涂层的硬度和弹性模量最大,分别可达16.1GPa、281.7GPa。这与涂层的组织、晶粒尺寸、内应力等参数的有关。不同偏压的CrN涂层的磨损性能不同;偏压为0V时,CrN涂层的摩擦系数在约为0.7,施加偏压后,摩擦系数在0.58~0.66之间发生变化。当偏压为-300V时,CrN涂层的磨损性能最好,摩擦系数最低,其磨损率也达到最低值,为8.91×10-8mm3·N-1·m-1。在偏压为-300V时制备的CrN涂层的耐腐蚀性能最好,腐蚀电流密度最低,为0.497μA/cm2,对基材的保护效率可达88.69%。(2)用HiPIMS叠加射频电源(HiPIMS+RF)工艺沉积的CrSiN涂层的弹性模量和硬度最高,分别为241.7GPa和11.3GPa。三种工艺制备的CrSiN涂层的磨损性能不同。摩擦系数均在0.4~0.55之间。而HiPIMS+RF生长的CrSiN涂层的磨损率最低,为5.0×10-6mm3·N-1·m-1。采用HiPIMS+RF工艺沉积的CrSiN涂层的横截面显示出更为致密的柱状结构。并且腐蚀性能最好,腐蚀电流密度最低,为3.21×10-7A·cm-2,保护效率最好,为92.42%。(3)多层膜结构有效实现了CrN/ZrN多层膜的硬度和弹性模量的增加。当Λ=1280nm时,CrN/ZrN涂层的硬度和弹性模量最低,分别为12.17GPa、267.1GPa。当Λ=640、320、160、80nm时,硬度和弹性模量值都有不同程度的升高,但是其值基本保持一致,没有明显的升高或者下降,分别为16GPa、280GPa左右。当Λ=1280nm时,CrN/ZrN涂层的腐蚀电流密度为1.97×10-7A·cm-2,孔隙率及保护系数分别为3.34%、95.34%,当Λ=640~80nm时,表现出更好的耐腐蚀性能,在Λ=80nm时最低,可达到3×10-8A·cm-2,孔隙率和保护系数分别达到0.72%和99.28%,涂层的保护效率大大提高。
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