电弧离子镀多层膜的工艺及性能研究

论文摘要

为了研究多层膜的力学性能和腐蚀性能,促进多层膜在生产中的应用,本文采用电弧离子镀技术,通过周期性变换环境中N2和Ar气沉积时间,成功地在铜合金和不锈钢上获得不同调制周期的Ti/TiN和Cr/CrN多层膜,并对多层膜的结构和性能进行研究。结果表明：周期性的变换生长环境中的N2和Ar气的通入时间可以获得界面清晰的Ti/TiN和Cr/CrN多层膜。Ti/TiN沉积膜中含有面心立方结构的TiN相和六方结构的金属Ti相,TiN相具有明显(111)晶面的择优取向；Cr/CrN沉积膜主要由Gr、CrN两相组成,也有部分Cr2N相,CrN(220)方向的择优取向较为明显。随调制周期增加,Ti/TiN多层膜硬度先提高后降低,在调制周期为550nm时具有最高的硬度2069HV；而Cr/CrN多层膜硬度随调制周期的增加而提高,在调制周期为1380nm时具有最高硬度3156HV,在相同调制周期时,Cr/CrN多层膜的硬度显著高于Ti/TiN多层膜的硬度。Ti/TiN和Cr/CrN多层膜与衬底的结合强度都随调制周期的增加先提高,到达最大值后下降,它们最大结合强度对应调制周期分别为480nm和650nm。Ti/TiN多层膜耐蚀性随调制周期的增加先提高后降低,在调制周期为550nm时具有最高的耐腐蚀性；而Cr/CrN多层膜的耐蚀性随调制周期的增加先降低后提高,在调制周期为340nm时具有最高的耐腐蚀性。相同调制周期时,Cr/CrN多层膜的耐腐蚀性明显优于Ti/TiN多层膜。压痕形貌的观察表明,Ti/TiN多层膜的断裂韧性随着调制周期的增加而逐渐降低,而Cr/CrN多层膜的断裂韧性随调制周期的增加先提高后降低。相同调制周期时,Cr/CrN多层膜的断裂韧性明显低于Ti/TiN多层膜。摩擦实验显示,调制周期为940nmCr/CrN多层膜,尽管硬度不是最高,但因其结合力较好,断裂韧性最好,具有最小的摩擦系数,耐磨性最好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 金属氮化物薄膜材料的发展现状
• 1.2 金属氮化物薄膜的性能及应用
• 1.2.1 二元金属氮化物薄膜
• 1.2.2 三元及多元金属氮化物薄膜
• 1.2.3 金属氮化物多层膜
• 1.3 薄膜制备的常用方法
• 1.3.1 物理气相沉积
• 1.3.2 化学气相沉积
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 第二章 实验材料与实验过程
• 2.1 实验材料
• 2.2 多层膜样品的制备
• 2.2.1 镀膜设备
• 2.2.2 多层膜的制备
• 2.3 多层膜的显微结构
• 2.3.1 膜层的表面及断面形貌
• 2.3.2 膜层的XRD谱
• 2.4 多层膜的性能检测
• 2.4.1 硬度测试
• 2.4.2 结合强度
• 2.4.3 腐蚀性能
• 2.4.4 断裂韧性
• 2.4.5 摩擦系数
• 第三章 实验结果与分析
• 3.1 Ti/TiN多层膜
• 3.1.1 Ti/TiN多层膜的微观组织
• 3.1.2 不同调制周期的Ti/TiN多层膜的XRD谱
• 3.1.3 不同调制周期的Ti/TiN多层膜的性能
• 3.2 Cr/CrN多层膜
• 3.2.1 Cr/CrN多层膜的微观组织
• 3.2.2 Cr/CrN多层膜的XRD谱
• 3.2.3 不同调制周期的Cr/CrN多层膜的性能
• 3.3 Ti/TiN多层膜与Cr/CrN多层膜性能比较
• 3.3.1 硬度比较
• 3.3.2 耐腐蚀性比较
• 3.3.3 韧性的比较
• 第四章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢