还原性气氛制备Zr-B-N纳米复合涂层的结构及性能分析

作     者：张纪福 刘艳梅 张涛 柯培玲 张翔宇 丁洋 Kim Kwang Ho 王铁钢 ~ZHANG Ji-fu;LIU Yan-mei;ZHANG Tao;KE Pei-ling;ZHANG Xiang-yu;DING Yang;KIM Kwang Ho;WANG Tie-gang

作者机构：天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室天津300222 中国科学院宁波材料技术与工程研究所中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室浙江宁波315201 Global Frontier R&D Center for Hybrid Interface MaterialsPusan National UniversityBusan 609-735South Korea 

出 版 物：《表面技术》 (Surface Technology)

年 卷 期：2022年第51卷第9期

页      面：83-90,101页

核心收录：

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 07[理学] 08[工学] 070104[理学-应用数学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 0701[理学-数学] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

基　　金：国家自然科学基金(51301181,51875555) 天津市科技重大专项(18ZXJMTG00050) 天津市自然科学基金(19JCYBJC17100) 天津市科技特派员项目(20YDTPJC01460) 

主　　题：还原性反应气氛 Zr-B-N涂层 磁控溅射 纳米复合涂层 微观结构 力学性能 

摘      要：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。