本文關(guān)鍵詞：多弧離子鍍沉積TiAlSiN涂層及其性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：20世紀(jì)末以來,材料的表面處理、表面改性技術(shù)迅猛發(fā)展,在學(xué)術(shù)研究和工業(yè)化生產(chǎn)中都取得了豐碩的成果。真空離子鍍技術(shù)是當(dāng)今應(yīng)用領(lǐng)域最廣、最先進(jìn)的表面處理技術(shù)之一,其中采用多弧離子鍍技術(shù)沉積的硬質(zhì)涂層以其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能倍受青睞。目前,多弧離子鍍技術(shù)沉積TiN涂層依然是高速切削刀具表面防護(hù)的主要措施。然而TiN的抗氧化溫度只有500℃,這限制了其應(yīng)用廣度。為了提高涂層的抗氧化溫度,多元合金化合物涂層得到了廣泛研究,TiAlSiN涂層就是其中之一。與TiN涂層相比,TiAlSiN涂層具有更高的硬度和抗氧化溫度：另外Si元素的摻入又限制了TiAIN涂層中柱狀晶的生長,因此TiAlSiN涂層有望成為性能更好的硬質(zhì)防護(hù)涂層。目前,文獻(xiàn)報道的TiAlSiN涂層制備技術(shù)主要包括：空心陰極電弧離子鍍、磁控濺射離子鍍和多弧離子鍍等。其中,多弧離子鍍技術(shù)具有靶材離化率高、涂層細(xì)膩以及設(shè)備構(gòu)造簡單、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。多弧離子鍍技術(shù)制備涂層時,對涂層性能都有較大影響的工藝參數(shù)較多,如沉積溫度、反應(yīng)氣體流量、脈沖偏壓等。此外,陰極靶磁場空間分布也會直接影響靶表面的等離子體的分布以及離化狀況,從而影響涂層質(zhì)量。為此,本論文系統(tǒng)研究了沉積溫度、氮?dú)饬髁亢兔}沖偏壓對TiAlSiN涂層性能的影響,同時也研究了脈沖磁場輔助對多弧離子鍍沉積TiAlSiN涂層性能的影響。(1)采用正交實驗法,以沉積溫度、氮?dú)饬髁亢兔}沖偏壓為主要影響因素,設(shè)計3因素3水平的正交實驗,測定各因素條件下制備的涂層的硬度、附著力以及表面大顆粒數(shù)目,根據(jù)正交實驗結(jié)果對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果如下：當(dāng)弧源電流50A、沉積溫度300℃、氬氣流量20 sccm、氮?dú)饬髁?50 sccm、脈沖偏壓400 V(占空比40%)、沉積時間2h時TiAlSiN涂層綜合性能較好；用此參數(shù)沉積TiAlSiN涂層,Ti、AlSi、N原子含量分別為21.31%、23.51%、4.37%、50.81%,表面大尺寸顆粒主要成分為金屬Ti；通過涂層截面的SEM圖像和EDS圖譜發(fā)現(xiàn),涂層與基底之間形成了擴(kuò)散層,有效的提高了涂層的附著力；該涂層的硬度為39.56 GPa,附著力為31.16 N。(2)研究了襯底溫度對涂層性能的影響。當(dāng)沉積溫度從200℃升高到400℃時,涂層表面大顆粒數(shù)目總體減少,大尺寸(直徑1 μm)大顆粒數(shù)目呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。沉積溫度為300℃時,涂層表面的大尺寸顆粒數(shù)目最少；涂層的硬度和附著力隨襯底溫度升高單調(diào)增加,這是由于沉積溫度的升高,提高了粒子反應(yīng)活性,改善了涂層內(nèi)部的結(jié)晶狀況,XRD圖譜結(jié)果證實了此結(jié)論。(3)研究了氮?dú)饬髁繉ν繉有阅艿挠绊憽．?dāng)?shù)獨(dú)饬髁繌?00 sccm增加到200 sccm,涂層表面大顆粒逐漸減少,這是高氮?dú)猸h(huán)境導(dǎo)致的“靶中毒”和氣體增加等離子體平均自由程變短導(dǎo)致碰撞幾率升高共同影響的結(jié)果；涂層硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,適當(dāng)?shù)牡獨(dú)饬髁繉iAlSiN生長有利,但過高的氮?dú)饬髁繉?dǎo)致涂層結(jié)晶程度降低,從而降低了涂層的硬度；涂層的附著力呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢,這是隨著氮?dú)饬髁康脑黾?涂層內(nèi)N元素含量升高,涂層陶瓷化明顯,內(nèi)應(yīng)力逐漸增大造成的。(4)研究了脈沖偏壓對涂層性能的影響。當(dāng)偏壓從200 V升高到600 V時,涂層表面大顆粒數(shù)目逐漸減少,大顆粒尺寸細(xì)化,當(dāng)偏壓為600 V時,高能離子的轟擊造成涂層表面和大顆粒外沿出現(xiàn)凹陷；涂層的硬度和附著力都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,當(dāng)脈沖偏壓為400 V時,分別達(dá)到最高值38.60 GPa和30.66N。通過XRD圖譜發(fā)現(xiàn),隨著偏壓的上升,高能離子轟擊使得涂層具有良好的結(jié)晶狀況。當(dāng)偏壓高于400V時,涂層的力學(xué)性能出現(xiàn)下降趨勢。(5)采用脈沖磁場輔助多弧離子鍍技術(shù)沉積了TiAlSiN涂層。當(dāng)勵磁電流大小為2.5A、頻率為20 Hz時,涂層表面的大顆粒數(shù)量和尺寸都明顯下降,涂層的硬度和附著力分別達(dá)到了38.56 GPa和29.80 N。此時靶材表面弧光呈現(xiàn)為一系列同心圓,并在靶材表面不斷的收縮擴(kuò)張,這是由于施加的磁場對弧斑在靶材表面的運(yùn)動有強(qiáng)烈的約束作用,使得弧斑的移動速度加快,從而減少了靶材溫度升高造成的金屬大顆粒噴發(fā)。
【關(guān)鍵詞】：多弧離子鍍 硬質(zhì)涂層 TiAlSiN 脈沖磁場輔助
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG174.4
【目錄】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 符號說明12-13
• 第一章 緒論13-27
• 1.1引言13
• 1.2 多弧離子鍍技術(shù)13-21
• 1.2.1多弧離子鍍技術(shù)原理14-17
• 1.2.2 多弧離子鍍技術(shù)應(yīng)用17-18
• 1.2.3 多弧離子鍍技術(shù)沉巧涂層的工藝參數(shù)18-19
• 1.2.4 大顆粒的產(chǎn)生與消除19-21
• 1.3 硬質(zhì)徐層研究現(xiàn)狀21-26
• 1.3.1 TiN硬質(zhì)涂層研究進(jìn)展22-23
• 1.3.2 TiNC硬質(zhì)涂層研究進(jìn)展23-24
• 1.3.3 TiAlN硬質(zhì)涂層研究進(jìn)展 口24
• 1.3.4 TiAlSiN涂層研究進(jìn)展24-26
• 1.4 選題意義及研究內(nèi)容26-27
• 第二章 實驗設(shè)備及研究方法27-33
• 2.1多弧離子鍍設(shè)備27
• 2.2 TiASiN涂層的沉積過程27-28
• 2.3 涂層性能表征28-33
• 2.3.1 涂層形貌測試28-29
• 2.3.2 涂層成分分析V729
• 2.3.3 結(jié)構(gòu)特性分析29-30
• 2.3.4 涂層力學(xué)性能測試30-33
• 第三章 多弧離子鍍沉積TiAlSiN涂層的工藝研究33-55
• 3.1 正交實驗設(shè)計33
• 3.2 正交實驗結(jié)果及分析33-38
• 3.2.1 正交實驗各因素對硬度的影響34-35
• 3.2.2 正交實驗各因素對附著力的影響35-36
• 3.2.3 正交實驗各因素對沉積速率的影響36-37
• 3.2.4 正交實驗各因素對大顆粒的影響37-38
• 3.3 TiAlSiN涂層沉積工藝參數(shù)優(yōu)化38-43
• 3.4 沉積溫度對TiAlSiN涂層性能的影響43-46
• 3.5 氮?dú)饬髁繉iAlSiN涂層性能的影響46-50
• 3.6 脈沖偏壓對TiAlSiN涂層性能的影響50-53
• 3.7 本章小結(jié)53-55
• 第四章 陰極脈沖磁場在TiAlSiN涂層沉積中的作用研究55-61
• 4.1 脈沖磁場的產(chǎn)生55-56
• 4.2 脈沖磁場勵磁線圈電流大小對TiAlSiN涂層性能的影響56-59
• 4.3 脈沖磁場勵磁線圈電流頻率對TiAlSiN涂層性能的影響59-60
• 4.4 本章小結(jié)60-61
• 第五章 結(jié)論與展望61-63
• 5.1 結(jié)論61-62
• 5.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)62
• 5.3 工作展望62-63
• 參考文獻(xiàn)63-68
• 致謝68-69
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄69-70
• 附件70

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本文編號：430917