磁控溅射薄膜的过渡层与高速钢及镁基体结合强度的研究

摘要

本文以高速钢与镁合金与磁控溅射薄膜过渡层的结合强度为研究重点,利用SEM,表面轮廓仪,划痕仪等方法研究了离子清洗工艺参数对高速钢及镁合金基体的影响,评价了不同离子清洗工艺后沉积过渡Cr层的结合强度；利用TEM,EDS等手段观察分析了过渡层与基材的结合界面,最后从晶体学及力学性能角度出发,探讨了影响镁合金基体上镀层结合强度的关键影响因素。 结果表明：离子清洗对高速钢基体结合强度影响不明显,但对镁合金基体影响显著。离子清洗中,过高的清洗电压对基材表面结构破坏程度加剧；电压过低,基材表面污染及氧化物清洗不够完全。均不利于结合强度的提高。长时间的离子清洗,溅射靶材粒子开始沉积于基材表面,对基体的形貌改变并没有太大影响,长时间离子清洗并无必要。所设计的离子清洗工艺中,HSS的最佳清洗工艺为-400 V,30 min,镁合金为-300 V,20 min。TEM对过渡层与基体界面的观察结果说明:HSS,AZ31镁合金与过渡Cr层的结合机制是以离子注入方式形成的梯度,混合界面层产生的物理结合力为主,同时离子清洗增加了镀层与基材之间的机械咬合力,机械结合也对结合强度做出了贡献。分别选用Zr,Al过渡层探讨了Mg基材沉积镀层时过渡层材料的选择原则。与Mg具有相同晶格类型,晶格常数的Zr过渡层的结合强度与沉积Cr过渡层的结合强度相当,而选用与Mg具有相近硬度的Al过渡层,可获得与高速钢-Cr 过渡层相当的结合强度。镁基材上沉积镀层时,过渡层材料的弹性模量与其结合强度并无太大联系。过渡层材料与镁合金基材的硬度匹配是在镁合金基体上获得高结合强度镀层的关键。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1高速钢及镁的简介

1.2高速钢和镁合金在应用中的问题

1.3常见的高速钢及镁的表面处理方法

1.3.1高速钢表面处理方法

1.3.2常见的高速钢表面镀层

1.3.3常见的镁合金表面处理方法

1.3.4常见的镁合金表面镀层

1.4磁控溅射技术

1.5镀层结合强度及不同的结合机制

1.6镀层结合强度的评价方法

1.6.1划痕法

1.6.2压入法

1.6.3拉伸法

1.6.4弯曲法

1.6.5其他测量方法

1.7本文的研究意义和目的

1.8本文的研究内容及技术路线

2 实验设备和实验方法

2.1实验材料及试样预处理

2.2实验研究中所需镀层的制备

2.2.1镀膜设备

2.2.2镀膜工艺

2.3镀层的检测

2.3.1镀层性能检测

2.3.2镀层组织结构的观察与分析

3 离子清洗工艺参数对高速钢及镁合金基体的影响

3.1不同清洗工艺处理的高速钢基体形貌观察

3.1.1不同清洗电压下高速钢基体形貌观察

3.1.2不同清洗时间下高速钢基体形貌观察

3.2不同清洗工艺处理的镁合金基体形貌观察

3.2.1不同清洗电压下镁基体形貌观察

3.2.2不同清洗时间下镁基体形貌观察

3.3不同离子清洗工艺的评价及优化

3.3.1清洗工艺对高速钢上沉积过渡层的影响

3.3.2清洗工艺对AZ31镁合金上沉积过渡层的影响

3.4清洗电压和时间对高速钢及镁合金基体的影响

3.4.1清洗电压和清洗时间在离子清洗中的作用

3.4.2基体材质对离子清洗工艺的响应

4 金属过渡层与基体结合界面观察和分析

4.1高速钢基体的界面观察

4.2镁合金基体的界面观察

4.3界面结合机制分析

4.3.1离子注入的影响

4.3.2过渡层材料的影响

4.3.3基材表面形貌的影响

4.4高速钢，镁合金与过渡Cr层的结合机制

5 提高镁基材上镀层结合强度的尝试和探讨

5.1镀层与基材晶体学特征的匹配对结合强度的影响

5.2镀层与基材力学性能的匹配对结合强度的影响

5.3小结

6结论

致谢

参考文献