石墨阴极弧增强放电及ta-C涂层沉积研究

摘要

ta-C涂层具有许多能和金刚石相媲美的卓越性能，例如良好的化学稳定性、较高的硬度和优异的抗磨损性能，良好的生物力学性能和生物相容性。ta-C涂层与高速钢基体间热膨胀系数相差1个数量级，在高速钢上直接沉积ta-C涂层，硬度和弹性模量以及膨胀系数的巨大差异，会导致涂层与基体界面之间产生很高的内应力，膜基结合强度很差。为了提高 ta-C膜层与高速钢基体的膜基结合强度通常在ta-C膜层与基体之间沉积打底层和过渡层，实现硬度、弹性模量和膨胀系数等物理性能的梯度变化。
　　本文通过改变线圈电流、直流电弧电流、工作气压、平均脉冲电流等实验参数研究石墨阴极弧放电特性。本文设计基体/Cr/CrC/ta-C梯度膜层结构来沉积ta-C涂层，利用真空阴极电弧离子镀技术在M2高速钢和单晶Si片上制备了ta-C涂层，并研究了不同参数下涂层组织形貌、相结构的变化及机理以及工艺参数的改变对涂层膜基结合强度、摩擦磨损性能、硬度的影响。
　　放电测试结果表明，工艺参数对石墨阴极弧放电特性有很大影响。基体电流随电弧电流增加而增大，电弧电压几乎保持不变；基体电流随着线圈电流的增加而增大，电弧电压也不断增加；基体电流随着Ar气气压的增大先增大后减小，电弧电压几乎保持不变；基体电流变化波形与脉冲电流波形相似，电弧电压在脉冲部分明显增大。
　　ta-C涂层结构分析表明，沉积时间超过30min时，ta-C涂层开始脱落，ID/IG值随着时间延长不断增大，sp3键含量不断降低。线圈电流增大对试样轰击作用加强， ID/IG值总体趋势增大。ID/IG值随电弧电流增加先减小后增大，60A时sp3键含量最高。
　　ta-C涂层性能分析表明，随时间延长膜基结合强度逐渐下降，50min的涂层表面出现褶皱现象。线圈电流增大，膜基结合强度想降低后升高。电弧电流增大，膜基结合强度下降，但都在HF2级别以上。电流相等时，脉冲电流的膜基结合强度明显低于直流。线圈系列纳米硬度最大的为0.1A，硬度为33.5GPa。脉冲系列纳米硬度最大的为脉冲平均电流80A，硬度为45GPa。硬度和石墨化是影响摩擦系数的两大因素。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 真空阴极电弧离子镀技术

1.3 ta-C涂层结构、应用及研究进展

1.4 本文主要研究内容

第2章 实验设备与研究方法

2.1 实验设备及实验材料准备

2.2 实验方法

2.3 分析测试方法

第3章 石墨阴极弧增强放电特性研究

3.1 电弧电流对石墨阴极弧放电特性影响

3.2 线圈电流对石墨阴极弧放电特性影响

3.3 气压对石墨阴极弧放电特性影响

3.4 高脉冲电流对石墨阴极弧放电特性影响

3.5 本章小结

第4章 ta-C涂层制备及组织结构研究

4.1 ta-C涂层制备工艺初步探索

4.2 ta-C涂层表面形貌分析

4.3 ta-C涂层截面形貌分析

4.4 ta-C涂层Raman光谱分析

4.5 本章小结

第5章 ta-C涂层力学性能研究

5.1 ta-C涂层膜基结合强度研究

5.2 ta-C涂层硬度分析

5.3 ta-C涂层摩擦磨损性能研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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