Mo-Cr-C及W-Cr-C三元非晶碳膜的制备及表征

摘要

为解决类石墨型Cr-C二元非晶碳膜热氧化抗力不足、极限服役温度仅300℃左右的问题,在继承其“纯Cr打底层/Cr-C成分过渡层/微量掺Cr的a-C工作层”层梯度结构基础上,本文提出以碳化物形成元素Mo、w对其工作层进行复合掺杂,试图在最大限度保持其优良减摩耐磨性能前提下,利用工作层中形成的弥散Mo、W掺杂相与局部C原子间的交互作用,迟滞内部C原子向外部接触面区域扩散,进而降低易挥发COo.15~0.18相在接触面附近富氧区的形成速度,以期提高薄膜的整体热氧化抗力及极限服役温度。为此,基于Cr-C膜现有工艺及双石墨靶+纯Cr靶+纯Mo(W)靶四靶溅射工况,在工作层沉积阶段启动Mo(W)靶并改变其靶电流(IMO、IW)与基片偏压(Us),分别在单晶Si片及M42高速钢基片上制备出具有不同掺杂比例及掺杂相形态的Mo-Cr-C及W-Cr-C三元非晶碳膜样品,对部分样品进行了350-450℃、持续时间1小时的大气环境热氧化处理。在对沉积态及不同温度热氧化处理后样品的成分、形貌、基本力学性能和摩擦学性能进行的系统实验表征基础上,明确了溅射工艺参数与Mo、W掺入比例问的对应关系;分析了Mo(W)掺杂对Mo-Cr-C及W-Cr-C薄膜沉积形貌及常温力学/摩擦学性能的影响规律及程度,给出了不恶化Cr-C非晶碳膜既有减摩耐磨性能的安全掺杂比例范围;探讨了不同Mo、W掺杂条件对薄膜热氧化行为及破坏程度的影响,证实基于工作层内Mo、W掺杂这一思路制备的Mo-Cr-C及W-Cr-C非晶碳膜热氧化程度明显减轻,在本文参数范围内,两种薄膜在最优工艺条件下的极限服役温度分别可提高到约400℃和450℃。
　　研究结果表明:随着IMo、如从0.2A增大到O.6A,工作层Mo、W含量和靶电流基本保持线性关系,关系式分别为:Mo at％≈O.206×IMo。,W at％≈0.236×Iw;沉积态薄膜中的碳含量基本保持在80 at％左右,薄膜主要以非晶形态存在,其中出现宽化衍射峰;随着Mo、W含量的增加,薄膜的显微硬度先增大后减小,膜基结合强度逐渐变差摩擦系数及磨损率有所升高。当Mo含量2.8~7.1at％范围(偏压保持一65V不变)或W含量在5.7~11.5at％(偏压保持在·50V)范围内时,X-Cr-C薄膜和Cr-C薄膜性能相比,薄膜显微硬度轻微升高,膜基结合强度等级为HF2-4级(合格),薄膜的摩擦系数保持在0.2以下,体积磨损率在2-4×1 O-15m3/Nm左右,X-Cr-C能够基本保持Cr-C薄膜的力学及摩擦学性能。当基体偏压小于一65V(靶电流保持0.4A不变)时,薄膜的显微硬度轻微变化,膜基结合强度等级为I-IF3~4级(合格),薄膜的摩擦系数处于O.2以下,体积磨损率保持在2-4×10-15m3/Nm;在以上溅射参数范围内,X-Cr-C薄膜力学及摩擦学性能能够保持Cr-C薄膜优良性能。
　　Cr-C二元非晶碳膜在400℃处氧化处理时,薄膜中C含量损失较多,薄膜结构发生崩溃,出现Cr2O3衍射峰,力学摩擦学性能变差。400℃热氧化处理的X-Cr-C三元非晶碳膜和沉积态X-Cr-C薄膜相比,薄膜结构保持完整,碳损失量较少;薄膜中仍然出现碳化物宽化衍射峰;当Mo含量在2.8~7.1at％范围内或者W含量在5.7~15.1at％范围内时,薄膜膜基结合强度等级为HF3~4级(合格),摩擦系数小于0.2,体积比磨损率为5~10×10-15m3/Nm。X-Cr-C薄膜在400℃氧化处理后,在一定参数范围内不但薄膜结构完整、非晶碳损失较少且仍然能够保持沉积态薄膜的优良力学及摩擦学性能;450℃热氧化处理的X-Cr-C三元非晶碳膜和沉积态X-Cr-C薄膜相比,Mo-Cr-C薄膜结构完整但碳损失量较多;薄膜中出现MoO3衍射峰,热氧化之后的薄膜出现氧化层及明显裂纹;然而当W含量在5.7~11.5at％范围内时,偏压在-35~-50V时,W-Cr-C薄膜结构仍然能够保持完整且无氧化物衍射峰出现,薄膜中C损失仍然较少;薄膜显微硬度较高,膜基结合强度等级为HF3~4级(合格),摩擦系数小于0.2,体积比磨损率为10×10-15m3/Nm左右。X-Cr-C薄膜在450℃氧化处理后,Mo-Cr-C薄膜结构完整但 C损失较多且出现纵向裂纹,因此该薄膜热服役温度不应该超过450℃。W-Cr-C薄膜结构完整且C损失较少,微观结构、力学及摩擦学性能仍然能够和沉积态薄膜保持一致,该薄膜热服役温度可以达到450℃。
　　综合以上结果,Mo含量在2.8~11.0at％(偏压保持-65V不变)范围,基体偏压在-50~-65 V之间(靶电流保持0.4A不变)时,沉积态Mo-Cr-C薄膜能够保持Cr-C薄膜基本力学及摩擦学性能;400℃热氧化处理的Mo-Cr-C薄膜在Mo含量为2.8~7.1at％范围,偏压-50~-65V之间时,能够保持沉积态Mo-Cr-C薄膜的结构、基本力学及摩擦学性能不变,将Mo-Cr-C薄膜热氧化服役温度提高到400℃。W含量在5.7~15.2at％(偏压保持-50V不变)范围内,基体偏压-35~-65V之间(靶电流保持0.4A不变)时,沉积态W-Cr-C薄膜能够和Cr-C薄膜基本力学及摩擦学性能保持一致;450℃热氧化处理的W-Cr-C薄膜, W含量在5.7~11.5at％范围内时,偏压在-35~-50V时,仍然能够保持沉积态W-Cr-C薄膜的结构、基本力学及摩擦学性能不变,将W-Cr-C薄膜的热氧化服役温度提高到450℃。

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1 绪论

1.1 非晶碳膜的发展

1.1.1 非晶碳膜的分类

1.1.2 类金刚石薄膜的发展现状

1.1.3 类石墨薄膜的发展现状

1.2 类石墨薄膜的改性

1.2.1 多层膜技术

1.2.2 掺杂技术

1.3 本课题的研究目的和意义

1.4 本课题的研究内容和技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

2 实验设备及方法

2.1 薄膜制备及退火处理

2.1.1 溅射沉积设备

2.1.2 基片材料准备

2.1.3 薄膜制备工艺

2.1.4 薄膜的退火处理

2.2 薄膜的表征

2.2.1 元素成分

2.2.2 物相构成及晶体学特征

2.2.3 沉积形貌特征

2.2.4 基本力学性能

2.2.5 摩擦学性能

3 实验结果与讨论

3.1 Mo-Cr-C及W-Cr-C三元非晶碳膜沉积态性能的评定

3.1.1 溅射工艺参数对Mo-Cr-C三元非晶碳膜成分、形貌、基本力学及摩擦学性能的影响

3.1.2 溅射工艺参数对W-Cr-C三元非晶碳膜成分、形貌、基本力学及摩擦学性能的影响

3.1.3 沉积态薄膜的性能小结

3.2 Mo-Cr-C及W-Cr-C三元非晶碳膜抗热氧化能力的评定

3.2.1 溅射工艺参数及热氧化温度Mo-Cr-C三元非晶碳膜成分、形貌、基本力学及摩擦学性能的影响

3.2.2 溅射工艺参数及热氧化温度W-Cr-C三元非晶碳膜成分、形貌、基本力学及摩擦学性能的影响

3.2.3 热氧化之后薄膜的性能小结

4 结论

致谢

参考文献