TiB,2和Ti-B-N超硬涂层的研究

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1、华中科技大学硕士学位论文摘要Ti-B-C-N系超硬涂层具有优良的物理、化学、机械等综合性能，可用作轴承、汽轮机叶片、刀具、模具等量大面广的各种工业机件的耐磨保护层。本文首先对Ti-B-C-N系单层、纳米复合超硬涂层的研究进展进行了系统的回顾、总结和展望；综述了几种涂层的制备方法，并详细介绍了射频磁控溅射法和反应溅射法的基本原理。采用射频磁控溅射法在钢和硅片上沉积了TiB2涂层，采用场发射电子扫描显微镜（FESEM），掠射X射线衍射（GIXRD）及X射线光电子能谱（XPS）分别研究了涂层的截面形貌，晶体结构以及涂层中的元素和化学状态。同时，对涂层的显微硬度、残余应力、耐磨性进行

2、了表征。结果表明,用射频磁控溅射制备的具有纳米晶体结构的TiB2涂层厚度均匀，结构致密，沿[001]晶向择优生长，并从热力学方面解释了涂层晶面的择优生长现象。沉积TiB2涂层后，试样的硬度大幅度提高，且具有非常低的残余压应力。同时，摩擦磨损实验表明TiB2涂层的耐磨性较好，经过120min的滑动摩擦后，未出现涂层剥落现象。但是，如果涂层中含有钛和硼的氧化物，则涂层性能下降。另外，研究了基片偏压对TiB2涂层结构和性能的影响。发现施加基片负偏压对涂层的结构没有太大的影响，但显著地提高了涂层的结合力，其结合力一般可以达到12～16N。而且，涂层的摩擦系数从0.45～0.52（未施

3、加基片偏压）降低到了0.14～0.16（施加了基片负偏压）。这意味着施加偏压显著提高了涂层的耐磨性。另外，发现涂层厚度增加后，涂层的测量硬度增加，可达到46GPa。我们还利用射频反应磁控溅射法制备了Ti-B-N涂层，并对比研究了未施加基片偏压时TiB2、Ti-B-N涂层的组织结构、硬度、耐磨性等性能。发现通入10℅N2后，涂层变的更为光滑平整，涂层结构由纳米柱状晶转为非晶结构，显微硬度比TiB2涂层明显降低。在室温条件下，Ti-B-N涂层比TiB2涂层表现出更低的摩擦系数，但Ti-B-N涂层出现了涂层剥落现象。I华中科技大学硕士学位论文为了改善涂层的性能，重新制备了Ti-B-

4、N涂层，发现减小氮气流量并对基片施加-100V偏压后，Ti-B-N涂层由非晶转为晶体并具有较好的结合强度和耐磨性，结合力为12～15N，摩擦系数为0.14～0.15。当氮气流量不大于4sccm时，氮气流量对涂层的结合力和耐磨性影响较小。关键词：磁控溅射；TiB2涂层；Ti-B-N涂层；组织结构；结合力；硬度；II华中科技大学硕士学位论文AbstractTi-B-C-Nsuper-hardcoatingsareofincreasinginterestaswearresistantcoatingsystemforbearings,bladesofsteamturbine,cutt

5、ingtoolsandformingtools,duetotheirexcellentcombinationofphysical,chemical,andmechanicalproperties,andsoon.Inthisthesis,thedevelopingprogressofmonolayerandnanocompositecoatingsinTi-B-C-Nisreviewed,andthenseveralcommondepositionmethodsofcoatingsaresimplyintroduced.Besides,detaileddescriptioni

6、smadeontheprincipleofradio-frequencymagnetronsputteringaswellasreactivesputtering.TiB2coatingswerepreparedbyradio-frequencymagnetronsputteringtechniqueonthesubstratesofsteelandsilicon.Thecross-sectionmorphology,microstructure,compositionsandchemicalstatesofthecoatingsobtainedwerecharacteriz

7、edbyfieldemissionscanningelectronmicroscopy,glancingincidenceX-raydiffractionandX-rayphotoelectronspectroscopy,respectively.ItwasfoundthattheTiB2coatingsshowasmoothsurfaceanddensenanostructurewithapreferentialcrystallineorientationof[001],theoriginforwhi