NbAlSiN涂层和CrAlBN涂层的结构和性能研究

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本文采用磁控溅射技术在压气机叶片用1Cr11Ni2W2MoV热强不锈钢基体上沉积了Nb0.5Al0.5N,Nb0.45Al0.45Si0.1N,Nb0.44Al0.44Si0.1Y0.02N涂层,采用电弧离子镀方法沉积了Nb0.5Al0.5N,Nb0.45Al0.45Si0.1N,Nb0.44Al0.44Si0.1Y0.02N涂层和Cr0.5Al0.5N,Cr0.45Al0.45B0.1N和Cr0.44Al0.44B0.1Y0.02N涂层。采用场发射扫描电镜(FESEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)、显微硬度计、高温氧化炉、高温摩擦磨损试验机等技术和设备,研究了基体脉冲偏压和掺杂对涂层的成分、相结构、硬度、室温磨损性能和抗氧化性能的影响。分别在不同偏压(0V,-100V,-200V,-300V)下,利用磁控溅射技术沉积了Nb0.5Al0.5N,Nb0.45Al0.45Si0.1N,Nb0.44Al0.44Si0.1Y0.02N涂层,实验结果表明:1)(NbAl)N,(NbAlSi)N和(NbAlSiY)N涂层均呈δ-NbN面心立方结构,偏压及Si和Y元素的掺杂并未改变涂层的相结构,但提高了涂层致密度。随着偏压的增加,(NbAlSi)N涂层的维氏硬度先增加再减小,在-200V偏压下涂层硬度达到30.12GPa。Si和Y元素的添加对涂层硬度的提高作用显著。2)700℃氧化实验表明:涂层的氧化比较轻微,随着负偏压的增加涂层的抗氧化性能增加,但是-300V偏压下的(NbAlSi)N涂层,由于应力较大,造成抗氧化性能减弱。750℃氧化实验表明:(NbAlSi)N和(NbAlSiY)N涂层涂层在750℃下表面无明显氧化,生成了一层薄薄的致密的Al2O3膜,掺杂Si和Y元素的涂层其抗氧化性能较未掺杂的涂层有明显提高。分别在不同偏压(0V,-150V,-300V,-450V)下,利用电弧离子镀技术沉积了Nb0.5Al0.5N,Nb0.45Al0.45Si0.1N,Nb0.44Al0.44Si0.1Y0.02N涂层,实验结果表明:1)偏压对涂层的表面形貌、择优取向、硬度及磨损性能产生重要影响。随着偏压的增加,涂层表面颗粒尺寸减小、择优取向发生变化,(NbAlSi)N涂层的维氏硬度先增加再减小,在施加-300V达到最大值44.36GPa。加Si和Y元素后涂层硬度显著提高。2)随着偏压的增加,(NbAlSi)N涂层的摩擦系数逐渐减小,相同偏压下,随着Si和Y元素的掺杂,(NbAl)N,(NbAlSi)N和(NbAlSiY)N涂层的摩擦系数均逐渐减小,尤其是在偏压为-450V时,(NbAlSiY)N涂层的平均摩擦系数为0.31。以电弧离子镀技术在不同偏压下沉积了Cr0.5Al0.5N,Cr0.45Al0.45B0.1N和Cr0.44Al0.44B0.1Y0.02N涂层,实验结果表明:1)偏压对(CrAlB)N涂层的表面形貌、择优取向、硬度及室温磨损性能产生重要影响。偏压的施加,涂层表面熔滴密度降低、择优取向发生变化。(CrAlB)N涂层的维氏硬度先增加再减小,在施加-300V达到最大值43.4GPa。加B和Y元素后涂层硬度显著提高。2)在室温磨损条件下,随着偏压的增加,(CrAlB)N涂层的摩擦系数先减小后增大,在偏压为-450V时,涂层的摩擦系数达到最大值0.52,相同偏压下,随着B和Y元素的掺杂,(CrAlBY)N涂层的摩擦系数最大,(CrAl)N涂层的摩擦系数次之,而(CrAlB)N涂层的摩擦系数最小。3)不同偏压下的(CrAlB)N涂层经850℃氧化100h后氧化比较轻微,而950℃氧化则比较严重,都出现了明显的氧化物峰,主要以Al2O3衍射峰为主。B元素的掺杂没有改善涂层的抗氧化性能,反而有负影响,但(CrAlBY)N涂层在950℃氧化比较轻微,抗氧化性能最好。
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