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N掺杂对V-Al-C涂层微观结构、力学及摩擦性能的影响

王鑫 , 王振玉 , 冯再新 , 柯培玲 , 汪爱英

金属学报 doi:10.11900/0412.1961.2016.00523

采用磁控溅射技术在Si片(100)和高速钢上制备V-Al-C和V-Al-C-N涂层,利用XRD、XPS、SEM、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机对比分析了涂层的相结构、化学组成、表面形貌、断面结构、力学性能以及不同介质中(大气、去离子水和海水)涂层的摩擦学性能。结果表明,V-Al-C涂层呈柱状晶结构生长,晶粒粗大;N的引入阻碍V-Al-C涂层的柱状晶结构生长,结构致密化,晶粒尺寸减小,形成非晶碳包裹纳米晶的纳米复合结构,使硬度从(14±0.48) GPa增加到(24.5±0.8) GPa,韧性得到大幅提高(H/E>0.1)。大气干摩擦条件下,V-Al-C涂层摩擦系数为0.70,引入N后摩擦系数降为0.42,这主要是由于在摩擦过程中V-Al-C-N涂层生成了具有润滑效果的V₂O₅,在非晶碳与V₂O₅耦合润滑作用下,涂层摩擦系数降低了40%;对于同一涂层,在去离子水和海水环境下的摩擦系数较大气干摩擦条件下降低,主要原因为：前者吸附的水分子可形成边界润滑作用。海水环境摩擦时,海水中Mg²⁺、Ca²⁺生成Mg(OH)₂、CaCO₃,均可提供进一步润滑效果,摩擦系数最低。3种环境摩擦过程中,30 min后V-Al-C涂层均因严重的磨粒磨损致磨穿而失效,且在腐蚀和磨损的协同作用下,海水环境中的磨损率最高。使用N掺杂制备的V-Al-C-N涂层均显示出良好的抗磨损性能,在干摩擦时磨损率为3.0×10^-16 m³/(Nm),在海水中为1.4×10^-15 m³/(Nm)。

关键词: V-Al-C涂层 , V-Al-C-N涂层 , 纳米复合结构 , 韧性 , 摩擦性能

N掺杂对V-Al-C涂层微观结构、力学及摩擦性能的影响

王鑫 , 王振玉 , 冯再新 , 柯培玲 , 汪爱英

金属学报 doi:10.11900/0412.1961.2016.00523

采用磁控溅射技术在Si片(100)和高速钢上制备V-Al-C和V-Al-C-N涂层,利用XRD、XPS、SEM、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机对比分析了涂层的相结构、化学组成、表面形貌、断面结构、力学性能以及不同介质中(大气、去离子水和海水)涂层的摩擦学性能.结果表明,V-Al-C涂层呈柱状晶结构生长,晶粒粗大;N的引入阻碍V-Al-C涂层的柱状晶结构生长,结构致密化,晶粒尺寸减小,形成非晶碳包裹纳米晶的纳米复合结构,使硬度从(14±0.48) GPa增加到(24.5±0.8) GPa,韧性得到大幅提高(H/E＞0.1).大气干摩擦条件下,V-Al-C涂层摩擦系数为0.70,引入N后摩擦系数降为0.42,这主要是由于在摩擦过程中V-Al-C-N涂层生成了具有润滑效果的V2O5,在非晶碳与V2O5耦合润滑作用下,涂层摩擦系数降低了40％;对于同一涂层,在去离子水和海水环境下的摩擦系数较大气干摩擦条件下降低,主要原因为:前者吸附的水分子可形成边界润滑作用.海水环境摩擦时,海水中Mg2+、Ca2-生成Mg(OH)2、CaCO3,均可提供进一步润滑效果,摩擦系数最低.3种环境摩擦过程中,30 min后V-Al-C涂层均因严重的磨粒磨损致磨穿而失效,且在腐蚀和磨损的协同作用下,海水环境中的磨损率最高.使用N掺杂制备的V-Al-C-N涂层均显示出良好的抗磨损性能,在干摩擦时磨损率为3.0×10-16 m3/(N·m),在海水中为1.4×10-15m3/(N·m).

关键词: V-Al-C涂层 , V-Al-C-N涂层 , 纳米复合结构 , 韧性 , 摩擦性能

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