多弧離子鍍及磁控濺射沉積CrN及CrWN2薄膜的研究.pdf

1、本文利用多弧離子鍍技術(shù)及磁控濺射技術(shù)分別在淬火45鋼、201奧氏體不銹鋼、單晶硅基體表面沉積CrN薄膜和CrWN2復(fù)合薄膜,并研究了工藝參數(shù)對于薄膜的影響。利用X射線衍射儀(XRD)對CrN薄膜和CrWN2復(fù)合薄膜進行物相和結(jié)構(gòu)分析;利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察薄膜的表面和橫截面形貌以及利用附帶的能譜儀(EDS)分析薄膜的化學(xué)成分;利用顯微硬度計檢測薄膜的表面硬度;利用附著力自動劃痕儀對薄膜進行聲發(fā)射信號檢測;利用高速往復(fù)摩擦磨損試

2、驗機對薄膜進行摩擦磨損試驗;利用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察薄膜的劃痕和磨損金相;利用電化學(xué)測量儀對CrN薄膜、CrWN2復(fù)合薄膜和奧氏體不銹鋼基體試樣分別在3.5％ NaCl溶液、1 mol/L NaOH溶液、1 mol/L H2SO4溶液中進行電化學(xué)腐蝕試驗;根據(jù)第一性原理對CrWN2超級晶胞中的空位進行計算分析,研究空位對晶胞結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究結(jié)果如下:
　　1.多弧離子鍍沉積CrN薄膜的最佳工藝參數(shù)為:多弧靶電流68 A,Ar/

3、N2=1:3,基體溫度200℃,沉積時間60 min;多弧離子鍍及磁控濺射沉積CrWN2復(fù)合薄膜的最佳工藝參數(shù)為:多弧靶電流68 A,磁控濺射靶直流電流3 A,Ar/N2=1:3,基體溫度200℃,沉積時間50 min。
　　2.氮氣分量的增加有助于形成單相CrN薄膜,抑制液滴的形成,使薄膜細(xì)化平整?；w溫度則會影響薄膜的生長過程,溫度過低容易導(dǎo)致結(jié)晶不足,薄膜缺陷孔隙增加;溫度過高容易導(dǎo)致晶粒尺寸過大,薄膜表面粗糙。
　　

4、3.隨著氮氣分量的增加,CrN膜-基結(jié)合力趨向加強,最大臨界載荷Lc=35 N;但在純氮氣條件下,CrN不能與基體很好的結(jié)合。沉積溫度的升高可以降低薄膜的應(yīng)力,加強膜-基結(jié)合力。
　　4.隨著氮氣分量的增加,CrN薄膜的硬度可達2377 HV;CrN薄膜的磨損量和摩擦系數(shù)也有減小?；w溫度對薄膜的硬度和耐磨性影響并不明顯。
　　5. CrN薄膜的相對腐蝕速率與氬氮流量比成正比例關(guān)系,在3.5%NaCl溶液、1 mol/L N

5、aOH溶液和1 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蝕性都有不同程度的提高。在3.5%NaCl溶液中,CrN薄膜的耐腐蝕性比201不銹鋼和TiN薄膜提高并不明顯;但在1 mol/L NaOH溶液和1 mol/L H2SO4溶液中,CrN薄膜的耐腐蝕性比201不銹鋼分別提高了17.8倍和81.5倍。
　　6.磁控濺射直流電流和氬氮流量比是形成CrWN2復(fù)合薄膜的兩個主要因素,只有磁控靶濺射量達到一定程度才能形成 CrWN2復(fù)合薄膜,但

6、是濺射量過大容易形成大顆粒,影響薄膜質(zhì)量。氮氣分量比較低時,薄膜中會伴隨有Cr2N相和W2N相;提高氮氣分量可以形成單相CrWN2復(fù)合薄膜,抑制液滴生成,使薄膜細(xì)化致密。
　　7. CrWN2復(fù)合薄膜的最大臨界載荷Lc=45 N,比CrN薄膜提高了10 N。提高氮氣分量也可以加強CrWN2復(fù)合薄膜的膜-基結(jié)合力。
　　8.磁控濺射直流電流和氮氣分量對CrWN2復(fù)合薄膜的硬度和摩擦磨損性能影響明顯。W可以提高CrN薄膜的硬度和

7、耐磨損性能。
　　9.氮氣分量的增加,可以增強 CrWN2復(fù)合薄膜在3.5% NaCl溶液和1 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蝕性。在3.5% NaCl溶液中,201不銹鋼、CrN薄膜和 CrWN2復(fù)合薄膜的耐腐性差不多;在1 mol/L NaOH溶液和1 mol/L H2SO4溶液中,CrWN2復(fù)合薄膜的耐腐蝕性要強于201不銹鋼;但在1 mol/L H2SO4溶液中,CrWN2復(fù)合薄膜的耐腐蝕性不如CrN薄膜。