等离子增强磁控溅射沉积新型纳米复合涂层

摘要

纳米复合涂层在工业生产中的应用很多，如汽车零部件，刀具，模具，各种发动机、涡轮机叶片，光学玻璃，耐高温，耐腐蚀和耐疲劳等领域。本文采用等离子增强磁控溅射(PEMS)技术在H13模具钢表面溅射沉积Ti基，TiCr基，TiAl基新型纳米复合涂层。主要研究了Cr、Al、C、O等不同元素的加入对涂层组织结构和性能的影响，这些性能包括硬度、与基体的粘结性、表面能、耐磨、耐高温和耐冲蚀腐蚀性能等，主要得出以下结论：
　　 (1)等离子增强磁控溅射技术沉积的涂层致密、少有柱状结构，而且表面粗糙度低。说明在真空室里引入加热的钨丝可以起到等离子增强的效果，这种效果对纳米涂层的致密化起着重要的作用。
　　 (2)等离子增强磁控溅射沉积的无氧涂层中，涂层组织致密、少无柱状结构是比较常见的。氧元素的加入使各纳米复合涂层表面变得粗糙，显示出柱状结构和少量的气孔，这种结构对于涂层的组织结构起着不利的影响。然而，通过粘结性能测试结果发现，氧元素的加入可以提高涂层和基体的结合力。表面能测试结果显示：氧元素的加入使Ti基和TiAl基纳米复合涂层的表面能降低，对于含有Cr的涂层，其表面能大小主要受形貌的影响。
　　 (3)通过比较各纳米复合涂层的显微硬度测试结果可以看出，H(TiCr based)>H(TiAl based)>H(Ti based)，说明多金属复合涂层可以提高涂层的硬度。纳米压痕测试的结果说明：Ti基涂层具有较高的韧性，对于TiAl基涂层而言，氧元素有利于韧性的提高，而对于TiCr基涂层，氧元素使这些涂层的韧性下降很明显。
　　 (4)从滑动摩擦磨损试验可以看出：涂层中含有Cr元素明显提高了纳米复合涂层的摩擦系数；然而，涂层中的碳含量越高，其摩擦系数越小。从磨损量来看，硬度越高，涂层的耐磨性能越好。冲蚀磨损试验可以看出，各涂层的耐冲蚀磨损性能是H13钢的3～11倍，且含有氧元素的涂层可以不同程度地提高其耐冲蚀磨损性能。
　　 (5)XRD和EDS的结果分析得出涂层中含有非晶态的铝的氧化物、氮化物等结构，这些物质可以提高涂层的耐氧化性能。另外，TiAl基纳米复合涂层具有良好的耐高温氧化性能。
　　 (6).通过研究各纳米复合涂层和基体的耐腐蚀性能发现，含有涂层的表面耐腐蚀性能明显增强。比较各涂层可以发现：含有氧的涂层耐腐蚀性能比较差，这主要和表面缺陷有关。另外，增加涂层的厚度可以显著提高其耐腐蚀性能，试验同时发现，涂层中加入Ti、Al元素后，其极化阻力明显增大，且TiAlSiCN纳米复合涂层具有最好的耐腐蚀性能。然而，涂层中的Cr元素并没有很好的提高涂层的耐腐蚀性能。