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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1、硕士学位论文磁场增强多弧离子镀CrAlN薄膜制备工艺及组织性能研究MICROSTRUCTUREANDMECHANICALPROPERTIESOFCrAlNCOATINGSDEPOSITEDBYMAGNETICENHANCEDMULTI-ARCIONPLATINGTECHNIQUE李永健哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TG174学校代码：10213国际图书分类号：621.785密级：公开工程硕士学位论文磁场增强多弧离子镀CrAlN薄膜制备工艺及组织性能研究硕士研究生：李永健导师：耿慧远副教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：材料科学

2、与工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG174U.D.C.:621.785DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringMICROSTRUCTUREANDMECHANICALPROPERTIESOFCrAlNCOATINGSDEPOSITEDBYMAGNETICENHANCEDMULTI-ARCIONPLATINGTECHNIQUECandidate:LiYongjianSupervisor:GengHuiyuanAcademicDegreeApplie

3、dfor:MasterofEngineeringSpecialty:MaterialsProcessingEngineeringAffiliation:SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence:June,2015Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要CrAlN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。CrN/AlCrN纳米多层

4、薄膜在一定程度上兼顾了CrN薄膜和AlCrN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CrAlN薄膜，通过改变外加磁场强度、氮气压、基体偏压、转速、AlCr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

5、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CrN/AlCrN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NaCl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。AlCr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

6、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；CrN/AlCrN薄膜；结合力I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAlCrNcoatingsshowexcellentabrasiveresistance,hightemperatureoxidationresistanceandhighhardness,andhavebeensuc

7、cessfullyusedformaterialsprotect-tionandparticularlytoimprovecuttingtoolslife.CrN/AlCrNnano-multilayercoatingspresenttheadvantagesofCrNandAlCrNcoatingstosomeextent.Theeffectofnano-scaleandmodulationstructureofCrN/AlCrNnano-multilayercoatingshaveimportantsignificanceonthepropert

8、iesintheoreticalandengineeringapplications.CrAlNhardco