物理气相沉积（PVD）涂层的摩擦学行为研究

摘要

物理气相沉积(PVD)方法制备的涂层具有高硬度、耐磨性能良好和化学性能稳定等优点，已经在刀具、模具、汽车及航空航天等行业获得广泛应用。开展PVD涂层的摩擦磨损基础研究能为涂层的制备开发和工业应用提供指导，同时对深化涂层摩擦学基础理论具有重要意义。 本文在CETR UMT-2多功能摩擦磨损试验机上，以Si3N4陶瓷球和纯钛球为对磨副，采用球-平面接触方式，对多弧离子镀(MAIP)制备的CrN、AlCrN和AlTiN涂层，磁过滤阴极弧源(FCVA)制备的CrN涂层和磁控溅射制备的WC/C类金刚石涂层进行了往复(双向)和球-盘式(单向)滑动摩擦学试验。采用显微硬度计、纳米压痕仪、表面轮廓仪、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDX)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)和电子探针仪(EPMA)等分析手段，系统地研究了PVD涂层的摩擦磨损行为。获得的主要结论如下： 1.采用FCVA技术制备了CrN涂层，与MAIP法制备的CrN涂层进行对比，结果表明：FCVA CrN涂层沉积参数对其摩擦磨损特性有很大的影响，大量试验优化了其制备工艺；相比MAIP CrN涂层，FCVA CrN涂层表面更为光滑、致密，“大颗粒”和孔洞缺陷更少，因此表现出更优越的耐磨性。PVD CrN涂层微观结构上的差异导致了在摩擦过程中排屑行为和损伤机制等方面的差异。 2.综合对比了CrN、AlCrN和AlTiN涂层的摩擦学行为，研究了PVD涂层成分对涂层摩擦学特性的影响，结果表明：1)正常磨损条件下，CrN涂层的耐磨性优于AlCrN涂层，但高法向载荷条件下CrN涂层磨痕中心最大应力处出现明显的局部严重磨损，AlCrN涂层的优势主要体现在承载能力的提高；2)AlTiN与AlCrN涂层的摩擦磨损特性差异主要源自涂层排屑行为和摩擦化学行为的不同：AlTiN涂层排屑性能较差，磨屑存在摩擦界面加速了涂层的磨损；AlCrN涂层排屑性能良好，磨损表面呈抛光效应，涂层中的Cr元素和Al元素都能同时在摩擦过程中形成稳定、高硬度、耐热的氧化物(Cr2O3、Cr2O5和Al2O3)而保护了涂层。3)AlCrN涂层拥有良好的承载能力和排屑行为，优越的抗磨粒磨损和抗氧化磨损性能。总之，PVD涂层组成成分在摩擦过程中导致了涂层在硬度、承载能力、排屑行为和摩擦化学行为等方面的差异，并最终影响了涂层的摩擦学性能。 3.CrN涂层的抗钛粘着性能明显优于AlCrN和AlTiN涂层。AlCrN和AlTiN涂层中的Al元素与Ti摩擦副有很高的亲和力，容易引起钛的粘着，不适合与钛配副的摩擦学应用领域。 4.WC/C类金刚石固体润滑涂层在摩擦过程中在对磨球表面形成石墨转移膜，因此涂层表现出良好的润滑效果。与纯钛球配副时，不同滑动模式下涂层的损伤仅表现为极其轻微的磨粒磨损和氧化磨损；与Si3N4球配副时，WC/C涂层在往复滑动模式下的磨损主要表现为塑性流动、磨粒磨损和氧化磨损，在球-盘滑动模式下的磨损主要表现为剥层和氧化磨损，涂层沉积过程所产生的孔洞缺陷是涂层剥落的起始源。研究发现较小的滑动速度有利于转移膜在两种对磨球表面形成。WC/C涂层拥有良好的抗钛粘着性能，在与钛配副的摩擦学应用领域具有巨大潜力。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1物理气相沉积(PVD)涂层发展概况及最新进展

1.1.1 PVD技术基本原理及分类

1.1.2 PVD涂层的现状及发展趋势

1.1.3主要PVD涂层的制备及其基本性能研究

1.2 PVD涂层的摩擦学研究进展及现状

1.2.1 PVD涂层在摩擦学中的应用

1.2.2 PVD涂层摩擦学性能研究概况

1.2.3 CrN涂层的摩擦学应用及研究

1.2.4 Ti-Al-N涂层的摩擦学应用及研究

1.2.5 Cr-Al-N涂层的摩擦学应用及研究

1.2.6 DLC(WC/C)涂层的摩擦学应用及研究

1.3本文选题的意义和研究内容

1.3.1本文选题的意义

1.3.2本文的研究内容

第2章实验方法和材料

2.1摩擦学试验装置

2.2实验材料的选择与制备

2.2.1球试样材料

2.2.2基体及涂层试样材料

2.3涂层基本性能表征

2.3.1涂层断面形貌及表面粗糙度

2.3.2涂层成分及相结构

2.3.3涂层硬度及弹性模量

2.3.4涂层结合强度的测定

2.4摩擦学试验

2.4.1往复滑动摩擦试验参数

2.4.2球-盘滑动摩擦试验参数

2.5磨痕微观分析方法

2.5.1磨痕轮廓分析

2.5.2磨痕形貌分析

2.5.3微区化学成分分析

第3章PVD涂层的摩擦学特性及损伤机理

3.1 CrN涂层

3.1.1摩擦特性

3.1.2涂层的损伤

3.2 AlCrN涂层

3.2.1摩擦特性

3.2.2涂层的损伤

3.3.AlTiN涂层

3.3.1摩擦特性

3.3.2涂层的损伤

3.4 WC/C涂层

3.4.1摩擦特性

3.4.2涂层的损伤

3.5本章小结

第4章涂层微观结构对CrN涂层摩擦学行为的影响

4.1 FCVA CrN涂层的制备和工艺

4.1.1 FCVA CrN涂层制备

4.1.2 FCVA CrN涂层性能表征

4.2 MAIP和FCVA方法制备的CrN涂层的基本特性

4.3两种CrN涂层的摩擦学特性及损伤机理对比

4.3.1往复滑动试验

4.3.2球-盘滑动试验

4.4本章小结

第5章涂层成分对PVD涂层摩擦学行为的影响

5.1 Al对Cr-N系涂层摩擦学行为的影响

5.1.1 CrN涂层与AlCrN涂层的对比

5.1.2 Al对Cr-N系涂层摩擦特性的影响

5.1.3摩擦化学行为

5.2高Al含量的Ti基和Cr基涂层摩擦学行为对比

5.2.1 AlCrN和AlTiN涂层的对比

5.2.2涂层摩擦学行为及损伤

5.2.3摩擦化学行为

5.3本章小结

第6章PVD涂层/钛的摩擦学特性

6.1 PVD硬质涂层与纯钛配副的滑动摩擦学行为

6.1.1摩擦特性

6.1.2损伤行为

6.2 WC/C涂层与纯钛配副的滑动摩擦学行为

6.2.1摩擦特性

6.2.2损伤行为

6.2.3抗粘着机理

6.3不同配副条件下WC/C涂层的滑动摩擦行为及损伤机理

6.3.1摩擦特性

6.3.2损伤行为

6.4本章小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果