高功率脉冲磁控溅射、电弧离子镀复合沉积AlCrN基涂层及其性能研究

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1、广东工业大学硕士学位论文(工学硕士)高功率脉冲磁控溅射、电弧离子镀复合沉积AlCrN基涂层及其性能研究唐鹏二〇一八年五月分类号：学校代号：11845UDC：密级：学号：2111501096广东工业大学硕士学位论文(工学硕士)高功率脉冲磁控溅射、电弧离子镀复合沉积AlCrN基涂层及其性能研究唐鹏指导教师姓名、职称：王启民教授专业或领域名称：机械工程学生所属学院：机电工程学院论文答辩日期：2018年5月ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheD

2、egreeofMaster(MasterofEngineeringScience)ThedepositionandinvestigationonpropertiesofAlCrNbasecoatingsbyhighpowerimpulsemagnetronsputteringandarcionplatingCandidate:TangPengSupervisor:WangQiminMay2018SchoolofElectro-mechanicalEngineeringGuangdongUniversityofTechno

3、logyGuangzhou,Guangdong,P.R.China,510006摘要摘要面对高速干式切削加工对刀具涂层的严格要求，本文致力于优化提高AlCrN基硬质涂层的力学性能、抗氧化性能和耐磨损性能。首先，采用高功率脉冲磁控溅射技术(HighPowerImpulseMagnetronSputtering,HIPIMS)制备AlCrN涂层，优化沉积参数。其次，在此基础上于AlCrN涂层中掺入多组元元素用以提高涂层的综合性能。以AlCrN为基础，同时加入O和Si元素，加入Si元素以形成纳米复合结构来增强涂层的力学性能和抗

4、氧化性能；加入O元素以减小涂层的摩擦系数、增强耐磨性能并进一步的提高涂层的抗高温氧化性能,并研究了添加多组元元素对涂层结构和性能的影响。再次，以AlCrN涂层为基础，应用HIPIMS和电弧离子镀(ArcIonPlating,AIP)复合沉积技术于涂层中同时加入Si和V元素，通过生成氧化润滑物进一步的降低涂层的摩擦系数，探索了添加V元素对涂层结构及性能的影响。最后，结合AlCrSiN优异的力学性能、良好的高温抗氧化性能、强耐磨性和VN的低摩擦系数，构建了AlCrSiN/VN纳米多层耐磨减摩涂层。本文所取得的主要结论如下：1

5、）采用HIPIMS技术在Ar/N2气氛下制备AlCrN涂层，通过改变沉积偏压获得力学性能优异的涂层。随着基体偏压的升高，涂层表面的大颗粒数量和尺寸逐渐减小。涂层的硬度、弹性模量和膜基结合力随着偏压的上升先增加后减小，其中硬度在偏压为-150V时达到最大值32.5±2.0GPa，膜-基结合力在-100V时达到最大40N。2）在HIPIMS沉积AlCrN涂层的基础上，应用HIPIMS制备AlCrSiN和AlCrSiON涂层，并研究氧含量对涂层结构、力学性能和摩擦学性能的影响及作用机制。随着涂层中含O量的增加，涂层的硬度先升高

6、后降低，在含O量为24.3at.%时有最大值20.1±3.0GPa。AlCrSiON涂层的膜-基结合力随着氧含量的增加而增大，当氧含量为30.4at.%时结合力达到最大值为90N。高温摩擦磨损实验结果表明在室温-600℃下，当氧含量为30.4at.%时，AlCrSiON涂层具有最优耐磨性能。3）在N2和Ar的混合气氛中应用HIPIMS的V靶和AIP的AlCrSi靶复合I广东工业大学硕士学位论文沉积AlCrSiVN涂层在硬质合金的基体上。随着V靶功率由0上升到2kW，涂层中V元素的含量从0增加到7.5at.%。当掺入V元素

7、的含量从0增加至7.5at.%，涂层的硬度从34.0±1.1GPa下降到26.3±2.4GPa。在室温-600℃下，含V量为7.5at.%时的AlCrSiVN涂层相较其它涂层具有最优的耐磨损性能。在室温下，AlCrSiVN涂层的摩擦系数在0.68-0.73之间波动。在600℃下，随着涂层中V含量从0增加至7.5at.%，涂层的摩擦系数从0.94减小至0.66。在高温环境下有V的AlCrSiVN涂层相较没有无V的AlCrSiN有着更低的平均摩擦系数，这是因为含V的涂层在高温情况下可以发生氧化并生成V2O5作为润滑剂来降低摩

8、擦系数。4）耦合利用VN涂层的低摩擦系数特性以及AlCrSiN涂层高耐磨特性，运用HIPIMS和AIP技术复合沉积AlCrSiN/VN纳米多层涂层，通过改变HIPIMS的V靶功率（0-2.5kW）来调整VN调制层的厚度。随着V靶功率的上升，涂层的膜-基结合力逐渐增加，涂层的硬度在V靶功率为2.0kW时增大至最大值29