复合磁控溅射Zr-B-N涂层微结构的控制及性能研究

采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术,通过改变Zr B2靶溅射功率来调节Zr-B-N涂层的成分和微结构,系统研究了Zr B2靶功率对涂层成分、微观结构和性能的影响。研究结果表明:随着Zr B2靶功率的增加,Zr-B-N涂层形成了以非晶a-BN包裹着纳米晶的纳米复合结构;涂层的硬度由36.76下降到16.1 GPa;当Zr B2靶溅射功率为0.4和0.6 k W时,表征膜/基结合强度的临界载荷分别达到最小值29.28和最大值43.85 N。摩擦系数和磨损率具有相同的变化趋势,均随Zr B2靶溅射功率的增加先增大后减小,当Zr B2靶溅射功率为0.8 k W时,Zr-B-N涂层摩擦系数较低,抗磨损能力亦最强。

还原性气氛制备Zr-B-N纳米复合涂层的结构及性能分析

目的制备高纯度、超硬、高耐磨的Zr-B-N纳米复合涂层。方法在反应气体中掺入还原性气体H_(2),利用氢元素强还原性去除真空室以及反应气氛中残留的O杂质,采用脉冲直流磁控溅射技术,通过调节N_(2)+H_(2)混合气体流量制备高纯度Zr-B-N涂层。利用扫描电镜、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机等设备对涂层的微观结构、力学性能和摩擦性能进行测试,并分析其变化机理。结果随着N_(2)+H_(2)流量的增加,Zr-B-N涂层内N含量在N_(2)+H_(2)流量为10 mL/min时达到最高。从截面形貌可以看出,涂层结构由粗大的柱状晶逐步转变为玻璃状细小柱状晶结构,涂层更加致密,呈现典型的纳米复合结构。微量H元素的掺入,减少了涂层制备过程中O相关化学键的生成,制备出的Zr-B-N涂层晶粒的生长环境得到改善。在N_(2)+H_(2)流量为10 mL/min时,涂层的硬度和弹性模量达到最大值40.26 GPa和532.98 GPa,临界载荷最大约为60.1 N,摩擦系数较小,为0.72,磨损率在此时最低,为1.12×10^(–5)mm^(3)/(N·m)。结论当N_(2)+H_(2)流量为10 mL/min时,制备出了超硬Zr-B-N纳米复合涂层。适量氢元素的掺入,充分去除真空室内氧杂质,改善了涂层中晶粒的生长环境,有效地提高涂层的硬度及摩擦磨损性能。

热处理对Zr-B-N纳米复合涂层显微结构的影响

利用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术制备Zr-B-N涂层,研究沉积过程中的氮气流量和热处理温度对涂层显微结构的影响。采用电子探针显微分析仪、扫描电镜和X射线衍射仪对涂层的成分、断面形貌及结构进行观察和分析。结果表明:热处理温度为600℃时,涂层表面开始形成氧化膜,部分锆离子与氧反应生成(116)晶面取向的Zr_3O;在N_2流量为6 m L/min(标准状态)时,经热处理后涂层结构仍以非晶相为主;当氮气流量为10 m L/min时,随着热处理温度升高,涂层结构逐渐变得疏松,氧化反应加剧。氮分压越高制备的涂层结构越致密,抗氧化能力越强;当热处理温度达800℃时,涂层表面开始出现裂纹,部分涂层脱离基体,严重失效。