復(fù)合氮化物硬質(zhì)涂層的HIPIB輻照研究.pdf

1、磨損是機(jī)械零件失效的三種主要原因之一，各種機(jī)械零件的磨損所造成的能源和材料的消耗是十分驚人的，世界工業(yè)化發(fā)達(dá)國(guó)家的能源約40％是以不同形式消耗在磨損上的，因此，人們一直致力于研究提高材料的抗摩擦磨損性能，表面涂層技術(shù)就是極為有效的方法之一。本研究就是在制備硬質(zhì)涂層的基礎(chǔ)上利用強(qiáng)流脈沖離子束(HIPIB)對(duì)膜層進(jìn)行輻照處理，研究輻照前后性能變化規(guī)律及其原因。 硬質(zhì)涂層的制備是在Bulat-6型電弧離子鍍?cè)O(shè)備上進(jìn)行的。根據(jù)元素的物理

2、和化學(xué)特性，選擇Nb、Zr和Cr元素作為組元，采用分離靶技術(shù)，通過(guò)獨(dú)立調(diào)節(jié)靶弧電流，在高速鋼基體上制備了(Ti0.35，Nb0.65)N、(Ti0.45，Nb0.55)N、(Ti0.47，Zr0.53)N、(Ti0.70，Zr0.30)N、(Ti0.62，Cr0.38)N和(Ti0.67，Cr0.33)N的均質(zhì)涂層及(Tix，Nb1-x)N、(Tix，Zr1-x)N梯度涂層。 輻照實(shí)驗(yàn)是在大連理工大學(xué)三束材料表面改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

3、室的TEMP—6型裝置上進(jìn)行的。該裝置采用聚合物陽(yáng)極單極脈沖模式外磁絕緣離子二極管，離子束成分為30％Cn+祁70％H+，加速電壓為300～350kV，脈沖寬度為70ns，采用束流密度為60A/cm2和100 A/cm2對(duì)(Ti，Nb)N、(Ti，Zr)N均質(zhì)涂層及(Tix，Nb1-x)N、(Tix，Zr1-x)N梯度涂層進(jìn)行了輻照處理。 SEM觀察表明，采用束流密度為60A/cm2的HIPIB輻照后，(Ti，Zr)N均質(zhì)膜層

4、和(Tix，Zr1-x)N梯度膜層的表面開(kāi)裂，而(Ti，Nb)N均質(zhì)膜層表面熔化，并產(chǎn)生了熔滴和熔坑。熔滴的產(chǎn)生是由于燒蝕物質(zhì)回流沉降于膜層表面而形成，而熔坑的產(chǎn)生是HIPIB輻照時(shí)，離子束的轟擊使膜層表面顆粒飛濺產(chǎn)生凹坑，而極快的冷卻速度使熔融物質(zhì)無(wú)法完全充滿(mǎn)凹坑而形成的。而在束流密度為100 A/cm2時(shí)，均質(zhì)膜層和梯度膜層表面全部開(kāi)裂。 利用MM-200摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了HIPIB輻照前后膜層的抗摩擦磨損性能。結(jié)果表明，

5、HIPIB輻照前，(Ti，Nb)N均質(zhì)膜層的抗摩擦磨損性能明顯高于(Ti，Zr)N均質(zhì)膜層。300N載荷下，(Ti0.35，Nb0.65)N和(Ti0.45，Nb0.55)N的磨損體積分別為2.389和2.163(×10-3mm3)，而(Ti0.47，Zr0.53)N和(Ti0.70，Zr0.30)N膜層的磨損體積分別為4.215和5.452(×10-3mm3)。600N載荷下，(Ti0.35，Nb0.65)N和(Ti0.45，Nb0.

6、55)N的磨損體積分別為2.762和3.217(×10-3mm3)，(Ti0.47，Zr0.53)N和(Ti0.70，Zr0.30)N膜層的磨損體積分別為6.855和8.468(×10-3mm3)。(Tix，Nb1-x)N梯度膜層的抗摩擦磨損性能要優(yōu)于(Ti，Nb)N均質(zhì)膜，300N載荷下的磨損體積僅為1.514(×10-3mm3)，600N載荷下的磨損體積為2.139(×10-3mm3)。而(Tix，Zr1-x)N梯度涂層的抗摩擦磨損

7、性能與均質(zhì)膜相比無(wú)明顯改善。HIPIB輻照后，(Ti，Nb)N均質(zhì)膜的抗摩擦磨損性能明顯提高，300N載荷下，(Ti0.35，Nb0.65)N和(Ti0.45，Nb0.55)N的磨損體積分別為1.771和1.348(×10-3mm3)，600N載荷下，(Ti0.35，Nb0.65)N和(Ti0.45，Nb0.55)N的磨損體積分別為2.299和2.011(×10-3mm3)。而(Tix，Nb1-x)N梯度膜的抗摩擦磨損性能反而下降，30

8、0N載荷下的磨損體積為2.179(×10-3mm3)，600N載荷下的磨損體積為2.527(×10-3mm3)。 為了說(shuō)明HIPIB輻照對(duì)涂層抗摩擦磨損性能的影響原因，測(cè)試了輻照前后膜層的相結(jié)構(gòu)、硬度及膜基結(jié)合力。 X射線(xiàn)衍射分析表明，HIPIB輻照前，(Ti，Nb)N均質(zhì)膜層具有單一的(Ti，Nb)N相，優(yōu)先沿(111)方向生長(zhǎng)，保留了TiN的立方結(jié)構(gòu)；(Ti，Zr)N均質(zhì)膜層中出現(xiàn)了(Ti，Zr)N、(Zr，Ti)

9、N、TiN和ZrN四種相，均保留了TiN的立方結(jié)構(gòu)；而在(Ti，Cr)N均質(zhì)膜層中以(Ti，Cr)N相為主，同時(shí)有少量的Cr2N相產(chǎn)生。(Tix，Nb1-x)N梯度涂層中除(Ti，Nb)N相外，還出現(xiàn)了(Ti，Nb)2N相，而(Tix，Zr1-x)N梯度涂層中仍然是(Ti，Zr)N、(Zr，Ti)N、TiN和ZrN混合相。HIPIB輻照后，無(wú)論是(Ti，Nb)N、(Ti，Zr)N均質(zhì)膜還是(Tix，Nb1-x)N、(Tix，Zr1-x)

10、N梯度膜，其相結(jié)構(gòu)與輻照前相同。 利用DMH-2LS超微載荷顯微硬度計(jì)測(cè)量了HIPIB輻照前三種均質(zhì)涂層及兩種梯度膜的硬度及輻照后(Ti，Nb)N均質(zhì)膜層及兩種梯度膜的硬度。測(cè)試結(jié)果表明，輻照前均質(zhì)膜層中，(Ti，Zr)N膜的硬度最高，(Ti0.47，Zr0.53)N膜層的努氏硬度可達(dá)HK3678，(Ti0.70，Zr0.30)N膜層的努氏硬度也達(dá)到HK3509，而(Ti0.35，Nb0.65)N均質(zhì)膜的努氏硬度僅為HK2651

11、。這主要是由于(Ti，Zr)N均質(zhì)膜層中存在(Ti，Zr)N、(Zr，Ti)N、TiN和ZrN分離相所致。而(Tix，Nb1-x)N梯度涂層的硬度最高，其努氏硬度達(dá)HK3807，但(Tix，Zr1-x)N梯度涂層的硬度為HK3470，與均質(zhì)膜相比無(wú)明顯改善。HIPIB輻照后，(Ti，Nb)N均質(zhì)膜層的硬度有明顯提高，(Ti0.35，Nb0.65)N膜層的努氏硬度由HK2651提高到HK3054，(Ti0.45，Nb0.55)N膜層的努氏

12、硬度由HK3200提高到HK3422，這是由于HIPIB的轟擊在膜層內(nèi)產(chǎn)生位錯(cuò)增殖所致。但(Tix，Nb1-x)N梯度涂層的硬度卻顯著降低，其努氏硬度由HK3807減少到HK3338。 利用CSR—01型劃痕實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試了輻照前(Ti，Nb)N、(Ti，Zr)N均質(zhì)膜及(Tix，Nb1-x)N、(Tix，Zr1-x)N梯度涂層及輻照后(Ti，Nb)N均質(zhì)膜及(Tix，Nb1-x)N梯度膜的膜基結(jié)合力。結(jié)果表明，輻照前，雖然(Ti，

13、Nb)N均質(zhì)膜的硬度較低，但其膜基結(jié)合力要好于(Ti，Zr)N均質(zhì)膜。(Ti0.35，Nb0.65)N和(Ti0.45，Nb0.55)N膜層的膜基結(jié)合力分別為65N和59N，而(Ti0.47，Zr0.53)N和(Ti0.70，Zr0.30)N膜層的膜基結(jié)合力僅為36N和28N。(Tix，Nb1-x)N梯度涂層的膜基結(jié)合力達(dá)到了70N，但(Tix，Zr1-x)N梯度膜的膜基結(jié)合力與均質(zhì)膜相比沒(méi)有明顯改善，僅為37N。HIPIB輻照后，(T

14、i0.35，Nb0.65)N和(Ti0.45，Nb0.55)N膜層的膜基結(jié)合力分別提高到70N和65N，而(Tix，Nb1-x)N梯度涂層的膜基結(jié)合力提高到78N。 在簡(jiǎn)化的條件下，對(duì)HIPIB輻照過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，HIPIB開(kāi)始作用階段，溫度迅速上升，升溫速率達(dá)1011K/s，很快達(dá)到膜層材料的熔點(diǎn)，隨后溫度開(kāi)始下降，降溫速率達(dá)1010K/s。在整個(gè)輻照過(guò)程中，膜層表面始終有最大的溫度分布，材料表層首先熔化，隨