V-Al-(C,N)纳米复合硬质涂层的制备及性能研究

摘要

制造业是关系国家战略地位和体现综合国力的重要支柱产业，传统的过渡金属碳化物、氮化物硬质涂层作为保护性涂层在钻削、切削工具、抗磨损部件等工业领域已得到广泛应用。然而由于低的硬度、韧性较差、抗氧化性和热稳定性不足等，随着制造业的飞速发展，很难满足高速、高效、高精密、干式、绿色切削加工要求。纳米复合涂层由纳米晶和非晶相组成，具有高硬度、韧性好、抗磨损、抗高温氧化等优异的性能。V基硬质涂层在较宽的温度范围内（293K-993K）具有较低的摩擦系数，在摩擦过程中能够起到自润滑的作用，有望满足绿色切削加工要求。本文主要基于国内纳米复合涂层研究进展，重点围绕PVD技术对V-Al-C和V-Al-C-N纳米复合涂层的制备、微观结构和性能进行研究。
　　本文首先采用直流磁控溅射方法制备V-Al-C和V-Al-C-N涂层，研究了N掺杂对V-Al-C涂层成分、微观结构和力学性能的影响。V-Al-C涂层呈粗大的柱状晶结构生长，贯穿整个涂层厚度，N的引入打断柱状晶生长结构，涂层致密;N的引入使V-Al-C-N涂层中有非晶碳生成，形成非晶碳包裹纳米晶的复合结构，晶粒得到细化;涂层硬度从（14±0.48）GPa，增加到（24.5±0.8），提高70％，韧性也得到提高，H/E＞0.1，膜基结合力从42N提高到53N。
　　其次，对比研究了两种涂层在不同介质（空气、去离子水和海水介质）中的摩擦磨损行为和磨损失效机制。V-Al-C-N复合涂层在干摩擦过程中发生摩擦化学反应形成具有润滑效果的V2O5，由于V2O5和非晶碳的耦合润滑作用使摩擦系数显著降低，从0.7降低到0.42，降低了40％; V-Al-C和V-Al-C-N两种涂层在三种介质中的摩擦系数均呈现fseawater＜fdistilled water＜fair的趋势，由于水分子提供了边界润滑的作用使得去离子水和海水中摩擦系数比干摩擦低，而在海水中形成CaCO3、Mg(OH)2等润滑相进一步使摩擦系数降低;V-Al-C涂层在所有介质中表现出差的抗磨损特性，30min后均已磨穿，主要为磨粒磨损;而V-Al-C-N涂层抗磨损性能良好，磨损率呈现Wseawter＞Wdistilled water＞Wair，在腐蚀和磨损的协同作用下，海水环境中的磨损率最高。
　　最后，通过调控CH4流量制备了V-Al-C纳米复合涂层，重点研究了CH4流量对涂层成分、微观结构、机械性能和摩擦性能的影响。未通入CH4的V-Al-C涂层呈柱状晶生长，晶粒粗大，涂层硬度较低，耐磨性差，通入5sccm流量的CH4后涂层柱状晶细化，继续加大CH4流量涂层柱状晶打断消失，呈现致密的结构，且有非晶碳生成，形成nc-(V，Al)C/a-C纳米复合结构，晶粒尺寸减小;当通入CH4流量为5sccm时涂层达到最大硬度，由14.43±1.7GPa增加到28.74±1.6GPa，韧性大幅度提高，H/E＞0.1;继续增大CH4流量，随着非晶碳含量的增多，硬度逐渐下降;未通入CH4的V-Al-C涂层表现出差的耐磨性，30min后已磨穿，主要为磨粒磨损，加入CH4后，涂层耐磨损性能提高，在摩擦过程中发生摩擦化学反应形成有润滑效果的V2O5，由于V2O5和非晶碳的耦合润滑作用，摩擦系数和磨损率降低。

目录

声明

摘要

1．1 硬质涂层

1．1．1 二元硬质涂层

1．1．2 多元合金化硬质涂层

1．1．3 硬质涂层的应用及发展历程

1．2 纳米多层涂层

1．3 纳米复合涂层

1．3．1 纳米复合涂层介绍

1．3．2 纳米复合涂层的调幅分解热力学基础

1．3．3 纳米复合涂层的硬度

1．3．4 纳米复合涂层的抗氧化性

1．3．5 V-Al-C-N纳米复合涂层

1．4 硬质涂层制备方法

1．4．1 化学气相沉积

1．4．2 物理气相沉积

1．5 本文研究内容和目的

2．1 涂层沉积设备

2．2 涂层沉积工艺

2．3 涂层的表征

2．3．1 结构及成分表征

2．3．2 性能表征

3．V-Al-C-N涂层制备及其结构和机械性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 涂层成分、结构和微观形貌表征

3．3．1 涂层成分和化学键态分析

3．3．2 涂层的相结构分析

3．3．3 涂层拉曼分析

3．3．4 涂层微观形貌和微观结构分析

3．3．5 涂层力学性能分析

3．3．6 涂层结合力分析

3．4 本章小结

4 N掺杂对V-Al-C涂层在不同介质中摩擦学性能的影响

4．1 引言

4．2 实验方法

4．3 涂层摩擦磨损性能分析

4．3．1 涂层摩擦学性能

4．3．2 涂层磨损性能分析

4．4 本章小结

5 CH4流量对V-Al-C涂层结构和性能的影响

5．1 引言

5．2 实验部分

5．3 CH4流量对V-Al-C涂层成分、微观结构和性能的影响

5．3．1 涂层成分和相结构分析

5．3．2 涂层化学键态分析

5．3．3 涂层拉曼分析

5．3．4 涂层微观形貌和微观结构分析

5．3．5 涂层的机械性能

5．3．6 涂层的摩擦学性能分析

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

硕士期间研究成果

参加的学术会议

致谢