二硼化鉻涂層的制備及其結(jié)構(gòu)和性能的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代制造業(yè)的飛速發(fā)展，難切削材料逐漸增多，如航空航天鈦合金、高硅鋁合金和碳纖維復合材料等，呈現(xiàn)出高強、高硬和高韌的特點，催生了硬切削、干切削和微潤滑切削等惡劣的切削環(huán)境，傳統(tǒng)的刀具涂層由于其高溫穩(wěn)定性差、硬度低等缺點已經(jīng)難以滿足要求。二硼化鉻（CrB2）涂層具有高熔點、高硬度、高耐磨性和耐蝕性，再加上其良好的化學惰性以及不易于與金屬發(fā)生粘結(jié)的特點，作為硬質(zhì)防護涂層有望能夠滿足這些特殊切屑加工要求。本論文主要基于國內(nèi)外對CrB2涂層的

2、研究進展和硬質(zhì)涂層發(fā)展趨勢，重點圍繞復合PVD技術(shù)沉積CrB2涂層的制備、結(jié)構(gòu)和性能開展了研究，有關(guān)研究結(jié)果具有重要科學意義和應用價值。
　　本文首先采用高功率脈沖磁控濺射沉積技術(shù)（HiPIMS）沉積CrB2涂層，對涂層的成分組成、物相結(jié)構(gòu)和力學性能進行了表征，重點研究了不同測試環(huán)境（干摩擦、蒸餾水和海水環(huán)境）下涂層的摩擦磨損行為。結(jié)果表明：CrB2涂層呈現(xiàn)（101）擇優(yōu)取向，物相結(jié)構(gòu)組成主要為CrB2和少量Cr，涂層中B/Cr的

3、原子比為1.76，硬度和彈性模量分別為26.9±1.0Gpa和306.7±6.0GPa。涂層在干摩擦、蒸餾水和海水環(huán)境中的摩擦系數(shù)分別為0.75、0.26和0.22，涂層在蒸餾水和海水環(huán)境中摩擦時，由于蒸餾水和海水的邊界潤滑作用，摩擦因數(shù)均明顯降低，干摩擦和在蒸餾水環(huán)境下的摩擦磨損機制是磨粒磨損，而在海水環(huán)境下摩擦時，是腐蝕磨損和磨粒磨損的協(xié)同作用。
　　其次，作為與HiPIMS技術(shù)的對比，采用直流磁控濺射技術(shù)，通過調(diào)節(jié)靶基距，獲

4、得了接近CrB2化學計量比的涂層，隨沉積溫度變化，B/Cr原子比在1.9～2.0之間，XPS結(jié)果表明涂層仍主要由CrB2和少量的Cr組成，涂層粗糙度較小，Rq在1.11～1.95nm之間；隨著沉積溫度的升高，基體表面吸附原子擴散能力增強，涂層結(jié)晶性逐漸升高，晶體結(jié)構(gòu)由（101）和（001）的混合取向轉(zhuǎn)變?yōu)椋?01）擇優(yōu)取向；涂層截面形貌由疏松多孔的纖維狀結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮闹鶢罱Y(jié)構(gòu)（直徑約50nm），最后轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥旅艿募{米柱狀結(jié)構(gòu)（直徑約

5、4～7nm）。隨沉積溫度的升高，涂層的力學性能明顯提高，沉積溫度大于300℃時，可獲得硬度大于40GPa的超硬CrB2涂層，當沉積溫度為400℃時，涂層的硬度高達50.7±2Gpa。微觀結(jié)構(gòu)和力學性能隨沉積溫度的演變歸因于沉積原子擴散運動逐漸增強產(chǎn)生的（001）擇優(yōu)取向和組織結(jié)構(gòu)的致密化。
　　最后，本文還研究了（101）和（001）擇優(yōu)取向的CrB2涂層的熱穩(wěn)定性能，并測試了硬質(zhì)合金基體和不同沉積溫度下CrB2涂層在3.5wt.