磁场增强多弧离子镀CrAlN薄膜制备工艺及组织性能研究

发布时间：2017-07-17 13:18

  本文关键词：磁场增强多弧离子镀CrAlN薄膜制备工艺及组织性能研究

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【摘要】：Cr Al N薄膜具有优异的耐磨损性能和抗高温氧化能力,而且膜层硬度较高,被广泛应用在高速切削及其他工业领域中。Cr N/Al Cr N纳米多层薄膜在一定程度上兼顾了Cr N薄膜和Al Cr N薄膜的优点,并且由于膜层的纳米尺度效应和结构调制,使膜层性能进一步得到改善。本文通过磁场增强多弧离子镀技术在M2高速钢和304不锈钢上制备了Cr Al N薄膜,通过改变外加磁场强度、氮气压、基体偏压、转速、Al Cr靶材电流以及Cr靶材电流等试验参数分别研究氩气和氮气条件下等离子体的放电特性。并研究了不同参数下膜层组织形貌、相结构的变化及机理以及工艺参数的改变对膜层结合强度、摩擦磨损性能、硬度和耐腐蚀性能的影响。工艺参数的改变对放电特性影响很大,线圈电流增加、偏压增大以及靶材电流提高均能够提高基体电流,但是基体电流随着气压的升高降低。通过外加磁场的引入,改变了靶材表面弧斑形态和运动方式,外加磁场的引入使得Cr N/Al Cr N纳米多层薄膜表面大颗粒相对于没有外加磁场的情况下得到很大改善。同时外加磁场的存在提高了气体的离化。制备的膜层主要是Na Cl类型的面心立方结构,膜层表现(111)面和(311)面择优生长。工艺参数的改变对膜层生长形态影响很大,线圈电流、氮气压和基体偏压的增加能够显著提高膜层的致密性,偏压的提高可以减少膜层表面大颗粒的粘附。Al Cr靶材电流以及Cr靶材电流的改变会改变膜层中Al元素相对含量,从而影响膜层晶格畸变程度和晶粒的细化。转速的改变会使膜层应力发生很大改变。当线圈电流为0.6A,转速为1.5r/min,偏压为-100V,氮气压为1.2Pa时,膜层具有较为致密的组织形态,膜基结合力达到70N以上,硬度能够达到22GPa左右,并且具有较好的耐摩擦磨损性能和耐腐蚀性能。
【关键词】：磁场增强 多弧离子镀 Cr N/Al Cr N薄膜 结合力
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题背景及意义10-11
• 1.2 多弧离子镀技术11-13
• 1.2.1 多弧离子镀原理11-13
• 1.2.2 多弧离子镀特点及应用13
• 1.3 Al Cr N薄膜研究现状13-15
• 1.4 本文主要研究内容15-17
• 第2章 试验设备与试验方法17-23
• 2.1 试验设备17
• 2.2 试验材料17-18
• 2.3 试验工艺流程18-20
• 2.3.1 试样预处理18
• 2.3.2 试样炉内清洗18-19
• 2.3.3 沉积Cr和Cr N过渡层19
• 2.3.4 沉积Cr Al N薄膜19-20
• 2.4 薄膜组织结构及性能分析方法20-23
• 2.4.1 扫描电子显微镜20-21
• 2.4.2 原子力显微镜21
• 2.4.3 X射线衍射21
• 2.4.4 洛氏硬度测试21
• 2.4.5 划痕测试21
• 2.4.6 显微硬度测试21
• 2.4.7 摩擦磨损测试21-22
• 2.4.8 电化学腐蚀测试22-23
• 第3章 磁场增强Al Cr合金靶材的放电特性23-28
• 3.1 线圈电流对Al Cr靶材放电特性影响23-24
• 3.2 工作气压对Al Cr靶材放电特性影响24-25
• 3.3 Al Cr靶材电流对放电特性影响25-26
• 3.4 基体负偏压对Al Cr靶材放电特性影响26
• 3.5 本章小结26-28
• 第4章 磁场增强Cr Al N薄膜制备及组织结构分析28-50
• 4.1 膜层表面形貌28-35
• 4.1.1 不同线圈电流下膜层表面形貌28-29
• 4.1.2 不同氮气压下膜层表面形貌29-30
• 4.1.3 不同转速下膜层表面形貌30-31
• 4.1.4 不同基体偏压下膜层表面形貌31-33
• 4.1.5 不同Al Cr靶材电流下膜层表面形貌33-34
• 4.1.6 不同Cr靶材电流下膜层表面形貌34-35
• 4.2 膜层截面形貌35-43
• 4.2.1 不同线圈电流下膜层截面形貌35-36
• 4.2.2 不同氮气压下膜层截面形貌36-37
• 4.2.3 不同转速下膜层截面形貌37-38
• 4.2.4 不同基体偏压下膜层截面形貌38-40
• 4.2.5 不同Al Cr靶材电流下膜层截面形貌40-41
• 4.2.6 不同Cr靶材电流下膜层截面形貌41-43
• 4.3 膜层相结构43-48
• 4.3.1 不同线圈电流下膜层相结构43
• 4.3.2 不同氮气压下膜层相结构43-44
• 4.3.3 不同转速下膜层相结构44-45
• 4.3.4 不同偏压下膜层相结构45-46
• 4.3.5 不同Al Cr靶材电流下膜层相结构46-47
• 4.3.6 不同Cr靶材电流下膜层相结构47-48
• 4.4 本章小结48-50
• 第5章 磁场增强Cr Al N薄膜性能研究50-77
• 5.1 膜层结合强度分析50-58
• 5.1.1 不同线圈电流下膜层结合强度50-52
• 5.1.2 不同氮气压下膜层结合强度52-53
• 5.1.3 不同转速下膜层结合强度53-54
• 5.1.4 不同基体偏压下膜层结合强度54-55
• 5.1.5 不同Al Cr靶材电流下膜层结合强度55-57
• 5.1.6 不同Cr靶材电流下膜层结合强度57-58
• 5.2 膜层显微硬度58-60
• 5.3 摩擦磨损性能研究60-70
• 5.3.1 不同线圈电流下膜层摩擦磨损性能61-63
• 5.3.2 不同氮气压下膜层摩擦磨损性能63-64
• 5.3.3 不同转速下膜层摩擦磨损性能64-65
• 5.3.4 不同基体偏压下膜层摩擦磨损性能65-67
• 5.3.5 不同Al Cr靶材电流下膜层摩擦磨损性能67-69
• 5.3.6 不同Cr靶材电流下膜层摩擦磨损性能69-70
• 5.4 膜层耐腐蚀性能分析70-75
• 5.4.1 不同线圈电流下膜层耐腐蚀性能70-71
• 5.4.2 不同氮气压下膜层耐腐蚀性能71-72
• 5.4.3 不同转速下膜层耐腐蚀性能72-73
• 5.4.4 不同基体偏压下膜层耐腐蚀性能73-74
• 5.4.5 不同Al Cr靶材电流下膜层耐腐蚀性能74-75
• 5.4.6 不同Cr靶材电流下膜层耐腐蚀性能75
• 5.5 本章小结75-77
• 结论77-78
• 参考文献78-84
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果84-86
• 致谢86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 吴忠振;田修波;王泽明;巩春志;杨士勤;;高功率脉冲磁控放电等离子体注入与沉积CrN薄膜研究[J];真空科学与技术学报;2011年04期

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本文编号：553773