镁合金表面碳基减摩镀层制备技术及微观组织的研究

论文摘要

本文采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、显微硬度计、划痕仪、针盘试验机等分析手段研究了镁合金样品镀层沉积前经离子轰击产生的亚微米尺度“凹坑”形貌对膜/基结合强度的影响规律,膜/基界面处由基体元素和打底层元素共同形成混合区的结构特征,镀层内以金属元素为主的打底层和以碳元素为主的工作层间梯度过渡的组织特点及碳基工作层表面的摩擦性能。结果表明:沉积前因“洁净表面状态”需要而设定的离子轰击工序所产生的亚微米尺度“凹坑”形貌对镀层膜/基结合强度有显著影响,高的清洗偏压虽可彻底清除样品表面的原始氧化皮,但因能量过大,轰击产生的“絮状”疏松表面形貌将削弱膜/基间的结合强度,低偏压轰击时则因离子能量过小而不能完全去除样品表面的原始氧化皮,本实验条件下的最佳等离子体轰击工艺为-300V/20min;分别选用与镁基体晶体结构相同的锆靶和晶体结构不同的铬靶作为打底层,探讨了轻金属表面沉积碳基减摩镀层时打底层材料的选择原则,实验发现两者均可以与镁基体形成混合界面层,且具有相当的膜/基结合强度;通过调整偏压,可以改变碳基减摩镀层表面形貌及以锆元素或铬元素为主的打底层和以碳为主的工作层间梯度过渡区的组织特征,偏压较低时,表面呈带状沟槽明显、颗粒边缘分明的形貌特征,随着偏压的增大,带状沟槽现象消失颗粒间平整程度明显增强;偏压继续增大,则表现为大颗粒凸出表面、小颗粒凝聚并再次出现带状沟槽的形貌特征;偏压变化时表层均呈现出长呈无序的非晶结构,XPS分析表明该层主体成分为非晶态石墨、Cr2O3和Cr单质,其中Cr元素与C元素并没有生成化合物。随着偏压的增大,镀层厚度逐渐下降,复合硬度和摩擦系数呈现先减小后增大的趋势,溅射偏压为-35V时镀层摩擦系数最低,大约为0.06～0.1。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 镁合金制品应用开发面临的几个技术难题
• 1.2 减摩耐磨镀层简介
• 1.2.1 硬质镀层
• 1.2.2 固体润滑镀层
• 1.2.3 非晶碳镀层
• 1.3 偏压对磁控溅射离子镀镀层的影响
• 1.3.1 闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术简介
• 1.3.2 偏压对镀层微观结构及性能的影响
• 1.4 研究中现存的问题
• 1.5 课题的研究意义、目的及内容
• 1.5.1 课题的研究意义和目的
• 1.5.2 课题的研究内容
• 2 实验设备和实验方法
• 2.1 基体材料选择
• 2.2 基体表面预处理
• 2.3 镀层制备
• 2.4 镀层成分及微观组织分析
• 2.4.1 形貌分析
• 2.4.2 镀层结构分析
• 2.4.3 镀层化学成分分析
• 2.5 镀层性能测试
• 2.5.1 硬度测试
• 2.5.2 膜基结合强度测试
• 2.5.3 镀层摩擦磨损性能检测
• 3 离子清洗工艺对基体表面形貌及膜/基结合强度的影响
• 3.1 清洗偏压对基体表面形貌及膜/基结合强度的影响
• 3.1.1 离子清洗对基体表面形貌的影响
• 3.1.2 膜/基结合强度
• 3.2 清洗时间对基体表面形貌及膜/基结合强度的影响
• 3.2.1 离子清洗对基体表面形貌的影响
• 3.2.2 膜/基结合强度的评价
• 3.3 镀层形成过程讨论
• 4 打底层金属的选择对膜/基结合强度的影响
• 4.1 无打底层时膜/基结合特性
• 4.2 分别以Cr元素和Zr元素打底时镀层结合强度评价
• 4.3 分别以Cr元素和Zr元素打底时镀层的膜/基结合特性
• 4.3.1 不同金属对膜/基结合界面的影响
• 4.3.2 不同金属打底层的生长特性
• 4.4 镀层与镁合金基体的结合机制分析
• 5. 溅射偏压对碳基减摩镀层微观结构及摩擦学特性的影响
• 5.1 溅射偏压对碳基减摩镀层微观结构的影响
• 5.1.1 镀层的表面形貌
• 5.1.2 镀层微观组织的TEM及HRTEM观察
• 5.1.3 镀层XPS分析
• 5.1.4 镀层XPS深度分析
• 5.2 溅射偏压对碳基减摩镀层性能的影响
• 5.2.1 溅射偏压对镀层厚度的影响
• 5.2.2 溅射偏压对镀层与基体复合硬度的影响
• 5.2.3 基体偏压对镀层干摩擦性能的影响
• 5.3 讨论
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献