TiSiN纳米复合硬质涂层的制备与物性研究

摘要

TiN涂层具有良好的耐磨损和耐腐蚀性能，是目前广泛使用的刀具涂层之一。然而 TiN涂层硬度低、抗高温氧化性能差，在 TiN涂层中掺入 Si形成TiSiN纳米复合结构涂层可以显著改善 TiN涂层的性能。但传统溅射方法制备的TiSiN涂层结构疏松、结合力差，并且沉积温度高，限制了其进一步广泛应用。近年来兴起的高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)技术具有离化率高、离子能量高的特点，对沉积涂层的轰击作用强，有助于纳米复合结构的形成，对提高涂层性能、降低沉积温度及大面积均匀沉积具有优势。本论文首先采用新型HIPIMS技术沉积 TiN涂层为出发点，优化偏压参数；在此基础上，通过基架自转与固定的调节方式，研究了持续离子轰击对涂层的影响；其次，采用HIPIMS和 DCMS两种技术沉积TiSiN涂层，对涂层的结构和性能做了系统对比；最后，我们系统研究了用HIPIMS制备 TiSiN涂层的过程中，不同 N2流量对等离子特性、涂层成分、结构与力学性能的影响。相关研究结果为HIPIMS技术制备纳米复合涂层的研究及工程化应用提供理论基础和技术指导。
　　研究结果表明，偏压对 HIPIMS溅射制备 TiN涂层结构和性能的影响显著。增大偏压，TiN涂层的沉积速率逐渐降低，涂层逐渐致密，表面粗糙度先减小后增加，在偏压为-300 V时表面最为光滑（Ra:10.1 nm）；择优取向由(111)晶向逐渐转变为(200)晶向；硬度和弹性模量先增大后减小，与结合力变化趋势相一致，在偏压为-300V时达到最高（17.4 GPa和263.8 GPa，结合力为59 N）。其次，研究表明在持续离子轰击作用下能够获得性能优异的TiN涂层，持续离子轰击作用可以使涂层的致密性增加，粗糙度降低，结晶性增强，显著提高涂层的力学性能，同时其耐腐蚀性也有一定程度的改善。
　　HIPIMS技术在沉积 TiSiN纳米复合涂层方面有显著优势。与DCMS技术相比，HIPIMS技术沉积的TiSiN涂层具有更光滑的表面，更小的晶粒尺寸，更致密的结构，更低的压应力和更高的硬度，更好的耐腐蚀性，并且其结合力和摩擦学性能明显优于 DCMS沉积的TiSiN涂层。
　　采用HIPIMS技术，在温度为300℃，不同N2流量下制备的TiSiN涂层均具有非晶Si3N4包裹纳米晶TiN复合结构，表面光滑，但涂层成分变化幅度较小。不同N2流量下，TiSiN涂层均呈(200)和(220)混合取向，随 N2流量的增加，择优取向由(200)转变为(220)，TiN晶粒尺寸逐渐增大，自由形式的Si完全氮化为非晶Si3N4，TiSiN涂层的硬度和弹性模量随着N2流量的增加逐渐降低。当N2流量为10 sccm时，涂层的硬度和弹性模量最高(35.25GPa和329.03 GPa)。

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引言

1绪论

1.1硬质涂层

1.2纳米多层涂层

1.3纳米复合涂层

1.4高功率脉冲磁控溅射技术

1.5本文研究内容与目的

2实验工艺与表征方法

2.1涂层沉积工艺

2.2涂层的表征

2.3所示。对磨痕轮廓积分得到磨损截面面积A，然后利用公式2-2即可算出磨损率。

3 HIPIMS制备TiN涂层的研究

3.1引言

3.2基体负偏压对TiN涂层结构和性能的影响

3.3基架旋转对HIPIMS制备TiN薄膜结构和性能的影响

3.4本章小结

4 HIPIMS和DCMS制备TiSiN涂层的对比

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

5 N2流量对HIPIMS制备TiSiN涂层结构和性能的影响

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

在学研究成果

致谢