HiPIMS_Pulsed DC复合磁控溅射CrAl（Si）N涂层的研究

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1、硕士学位论文HiPIMS/PulsedDC复合磁控溅射CrAl(Si)N涂层的研究StudyontheCrAl(Si)NcoatingsdepositedbyHiPIMSandPulsedDCMStechniques作者姓名：李柏松导师（职称）：王铁钢副教授学科（专业）：机械制造及其自动化提交论文日期：2018年3月分类号：学校代码：10066密级：学号：03M080115004HiPIMS/PulsedDC复合磁控溅射CrAl(Si)N涂层的研究StudyontheCrAl(Si)Ncoating

2、sdepositedbyHiPIMSandPulsedDCMStechniques作者姓名：李柏松导师（职称）：王铁钢副教授一级学科：机械工程学科（专业）：机械制造及其自动化年级：2015级提交论文日期：2018年3月学位授予单位：天津职业技术师范大学i独创性声明声明：本人所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津职业技术师范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一

3、同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津职业技术师范大学有关保留、使用学位论文的规定，特授权天津职业技术师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，允许论文被查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签名：ii摘要采用PVD涂层技术对

4、研发高性能刀具涂层、改善刀具切削性能、提高加工质量、提高刀具寿命和降低生产成本具有重要意义。CrAlN涂层以其高硬度、抗氧化、耐磨损的良好性能被广泛应用于切削刀具的表面防护中，由于固溶强化、纳米复合强化的作用，掺Si的CrAlSiN纳米复合涂层在切削领域的应用将更有发展前景。本文采用国际新型高功率脉冲(HIPIMS+)和脉冲直流(PulsedDC)共溅射技术沉积CrAlN、CrAlSiN纳米复合涂层，将高功率脉冲离化率高、脉冲直流沉积速率高的技术优势结合，实现对高纯度单质靶单独控制，调节涂层结构，以

5、期制备出高性能刀具涂层。分别研究偏压、氮氩比、靶功率等工艺参数对CrAlN、CrAlSiN涂层微观组织结构生长、力学性能、摩擦磨损性能等方面的影响，揭示CrAlSiN复合涂层组织结构的生成规律和力学性能、摩擦磨损行为的变化规律。研究结果表明：基体负偏压能够调节CrAlN涂层内部应力、促进涂层内部的相变。随着基体负偏压的增加，涂层111晶向逐渐减弱，有向200晶向转变的趋势且全部表现出fcc-(Cr,Al)N相。涂层内部残余压应力显著增加，少量Cr固溶于AlN晶格中，引起晶格畸变，晶粒得到细化。涂层耐

6、磨性显著增强，在-120v偏压时获得H/E值和H3/E*2值最大为0.11、0.21Gpa，此时残余应力也最大-2.68GPa。CrAlN涂层的力学性能和摩擦学性都得到改善，并在-120v时获得最佳力学性能和抗磨损性能。此时，摩擦系数(0.36)和磨损率(3.0×10-16m3/(N×m))均为最低。在较高氮气氛围下制备了不同N2/Ar流量比CrAlSiN纳米复合涂层。随着N2/Ar流量比的增加，CrAlSiN涂层沉积速率下降，原因在于靶表面产生的氮化物对溅射的阻碍作用。N2/Ar流量比的增加使Cr

7、AlSiN涂层结晶度增强，所有涂层表现出fcc-(Cr,Al)N相并以(200)(220)晶向择优生长。较高的氮气流量氛围下制备比的涂层表面出现较大团簇颗粒。这与沉积粒子在基体表面的迁移率密切相关。N2/Ar流量比的增加未能使力学性能明显改善，却大大增强了涂层摩擦磨损性能，CrAlSiN涂层磨损率逐渐降低至N=4/1时的1.9×10-162/Arm3/(N×m）。N2/Ar=4/1时涂层表现出最佳耐磨性。采用共溅射技术制备了不同SiAl靶功率的CrAlSiN涂层。随着SiAl靶功率的增加，涂层内部S

8、i元素含量显著增加，从14.4at.%升至22.7at.%，这导致非晶层厚度的增加，抑制了纳米复合强化作用，涂层摩擦磨损性能变差。在SiAl靶功率为0.7kw时获得最佳力学性能和摩擦磨损性能，此时磨损率最低仅有2.8×10-16m3/(N×m），实验结果证明，CrAlSiN涂层内部Si含量超过14.4at.%后，导致涂层韧性、抗磨损性能下降。关键词:CrAlSiN纳米复合涂层，复合溅射技术，力学性能，摩擦磨损性能iiiAbstractTheapplicationofP