TiAlN-Si3N4-Cu納米復合涂層的制備及性能研究.pdf

1、本文采用直流反應磁控濺射技術在304不銹鋼表面制備了TiAlN/Si3 N4-Cu納米復合涂層,研究了基底溫度、負偏壓、涂層中Si元素含量和Cu元素含量等對TiAlN/Si3N4-Cu納米復合涂層的微觀結構、硬度、韌性、膜基結合性能、耐磨性能和抗高溫氧化性能的影響。
　　研究了溫度對TiAlN/Si3 N4-Cu納米復合涂層性能的影響。沉積溫度從室溫(RT)提高至250 oC后,涂層表面的空洞減少,結構致密,TiN(111)和Ti

2、N(220)衍射峰強度減小,涂層硬度和彈性模量逐漸增大,最大值分別達到15.3 GPa和293.4 GPa。劃痕測試表明:沉積溫度為RT、150 oC和250 oC時,劃痕實驗臨界載荷分別是3.85 N,3.45 N和5.10 N。相比低溫情況下,250 oC時制備的涂層劃痕聲信號峰不連續(xù)且較小,膜基結合力良好,涂層的摩擦系數最小,為0.74,磨損率為2.5×10-4 mm3/N·m,磨損機理為粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。
　　

3、研究了負偏壓在0 V至-60 V范圍內,對TiAlN/Si3 N4-Cu涂層性能的影響。負偏壓從0 V提高至-60 V后,涂層晶粒尺寸減小、致密性提高,沉積速率先增大后減小。相比其它的涂層,襯底偏壓在-20 V時,沉積速率可達4.394×10-3 mg·cm-2·min-1,涂層的顯微硬度和彈性模量最大,分別達到19.6 GPa和256.2 GPa,膜基結合力和耐磨性能也最好,磨損量為2.5×10-4 mm3/N·m。
　　研究S

4、i含量(0-5.9 at.％)對TiAlN/Si3 N4-Cu納米復合涂層性能的影響。隨著Si含量的增加,涂層的表面粗糙度變小,涂層更加致密,晶粒細化;3.39 at.%Si含量時的TiAlN/Si3 N4-Cu涂層的抗塑性變形能力(即硬度的立方和彈性模量平方之比H3/E2)最大,達到0.11 GPa,壓痕測試發(fā)現其產生諸多細小的微觀裂紋,裂紋生長大多為彎曲生長,涂層韌性最好。摩擦磨損實驗表明Si含量3.39 at.%的TiAlN/Si

5、3N4-Cu涂層耐磨性最好,磨損機理以粘著磨損為主,400 oC下高溫磨損測試發(fā)現其耐磨性能良好。
　　通過改變純Cu靶電源電壓來改變涂層中Cu元素的含量,研究Cu含量(0-3.63 at.%)對TiAlN/Si3 N4-Cu納米復合涂層結構和性能的影響。隨著Cu含量的添加, TiAlN/Si3N4-Cu涂層表面孔洞消失,涂層致密,晶粒尺寸從46.6 nm減小至8.2 nm,涂層的擇優(yōu)取由(111)向(110)轉變。高溫抗氧化性能

6、測試結果發(fā)現各涂層的氧化動力學曲線符合拋物線規(guī)律,其形成的氧化物具有良好的高溫抗氧化性能。測試結果表明:TiAlN/Si3 N4涂層的抗氧化性能最好, Cu含量的添加減弱了TiAlN/Si3N4-Cu納米復合涂層的高溫抗氧化性能。高溫磨損實驗中發(fā)現,Cu含量的增加,涂層摩擦系數從1.4下降至0.6,磨損質量從3.34×10-4 mg/N·m減少至1.519×10-4 mg/N·m,耐磨性提高的原因可能與Al元素擴散及形成的Al2O3有關