不同过渡层结构对Cr-DLC复合涂层性能影响研究_贾东旭.pdf

不同过渡层结构对Cr-DLC复合涂层性能影响研究贾东旭，马国佳*，刘星，孙刚（中国航空制造技术研究院 高能束流加工技术重点实验室先进表面工程技术航空科技重点实验室，北京100024）摘要：为了改善大载荷工况下零件的耐磨损性能，提高其使用寿命，采用阴极真空电弧离子镀和微波等离子体辅助化学气相沉积复合工艺在轴承钢（9Cr18）表面制备了无承载过渡层、（Cr/CrN）x周期承载过渡层和CrN1CrNx梯度承载过渡层三种结构的Cr-DLC复合涂层。通过拉曼光谱（Raman）和X射线衍射仪（XRD）研究了不同Cr靶电流下Cr-DLC涂层的化学成分和结构，采用扫描电镜（SEM）观察了涂层的微观结构，并采用纳米压痕、显微划痕和摩擦磨损试验对复合涂层的力学性能和摩擦学性能进行了评价。结果表明，Cr掺杂DLC涂层中镶嵌了CrC晶粒，涂层的纳米硬度可达30 GPa以上；带有梯度CrNx承载层的Cr-DLC复合涂层的力学性能和耐磨性能最好，与基底的结合强度可达52 N，磨损率为13.810-7mm3/（Nm），是基底材料的1.5%；大载荷摩擦试验表明，有梯度承载层的Cr-DLC涂层在800 N载荷下可保持1 000 s内不被破坏；Falex试验表明，有梯度承载过渡层的Cr-DLC复合涂层的最大承载能力达到5 000 N。关键词：Cr-DLC涂层；过渡层；摩擦磨损性能；承载能力中图分类号：TG174；O484文献标志码：A文章编号：1006-7086（2023）02-0137-10DOI：10.3969/j.issn.1006-7086.2023.02.006Effect of Different Transition Layer Structures on Cr-DLC Coating PropertiesJIA Dongxu，MA Guojia*，LIU Xing，SUN Gang（AVIC Manufacturing Technology Institute，Science and Technology on Power Beam Processes Laboratory，Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Surface Engineering，Beijing100024，China）Abstract：In order to improve the wear resistance of the parts under high load condition and prolong their service life，the composite process of cathodic vacuum arc ion plating and microwave plasma-assisted chemical vapor deposition wasused to prepare Cr-DLC coatings on bearing steel surface with three transition layers，namely，no load layer，periodic（Cr/CrN）xload layer and CrNxgradient load layer，respectively.Raman spectroscopy and X-ray diffraction（XRD）were usedto study the chemical composition and structure of Cr-DLC coatings under different Cr target currents.Scanning electronmicroscopy（SEM）was used to observe the microstructure of DLC coatings with three kinds of transition layers.Themechanical and tribological properties were evaluated by nano indentation，micro scratch and friction and wear tests.Theresults show that the Cr-doped DLC coating is a typical a-C：H film，which is embedded with CrC grains，and its nano-hardness can reach more than 30 GPa.The Cr-DLC coating with gradient CrNxload layer has the best mechanical propertiesand wear resistance，and the strongest load capacity，with a binding strength of 52 N to the substrate material.and a wearrates of 13.810-7mm3/（Nm）which is 1.5%that of the substrate material.The high-load friction test shows that Cr-DLCcoating with gradient load layer can remain undamaged for 1 000 s under 800 N load，and Falex test shows that maximumload capacity of the coating reaches 5 000 N.Key words：Cr-DLC coatings；transition layers；friction and wear performance；load capacity收稿日期：2022-09-24作者简介：贾东旭，硕士研究生，主要研究DLC薄膜制备技术。E-mail：通信作者：马国佳，研究员，硕士生导师，主要研究表面工程技术及其应用。E-mail：引文信息：贾东旭，马国佳，刘星，等.不同过渡层结构对Cr-DLC复合涂层性能影响研究J.真空与低温，2023，29（2）：137-145.JIA D X，MA G J，LIU X，et al.Effect of different transition layer structures on Cr-DLC coating propertiesJ.Vacuum andCryogenics，2023，29（2）：137-145.真空与低温Vacuum and Cryogenics第29卷第2期2023年3月1370引言类金刚石（Diamond Like Carbon，DLC）涂层作为一种有效的防护涂层，由于具有低摩擦系数、高耐磨性、较好的化学惰性以及在红外区域的光学透明度等优异性能，二十多年来得到了广泛的研究1。DLC涂层主要是由sp3和sp2键结合的碳原子组成的无定形碳，含氢DLC化学结合和/或混合了一定数量的氢原子2。DLC涂层的力学性能和摩擦学性能很大程度取决于碳原子键合结构，即sp2与sp3键合的碳原子比值3-4，以及氢含量5。硬质DLC涂层通常具有较高的压应力（310 GPa6-7），以致涂层与基材的结合强度差8-12，限制了其实际应用。在大载荷下，DLC涂层的应力会释放，造成涂层产生大量裂纹，甚至从基底表面脱落，零件寿命缩短。在DLC涂层中掺杂其他元素如Ti、Si10、W、Cr9等13-16，是改善其性能的有效途径。为了减小DLC涂层和基底材料性质上的差异，常用Cr14、Ti15，17-18、W16、Si9-20等作为黏结层。一些氮化物和碳化物因具有高硬度、好的耐磨特性而被用做承载类过渡层材料，典型的如TiC、CrN、TiN、CrC等。通过不同成分的组合，氮化物、碳化物被证实能够作为多层或梯度过渡结构显著提高 DLC 涂层的承载性能，典型的如 TiN/TiC10，21、Ti/TiN/TiCN7，22、TiNx11、Ti/TiCx/TiCxNy12、Cr/CrN/DLC23-24、Cr/CrN/CrNC/CrC/Cr-DLC25和 Ti/TiNx等。可以说，单一的 DLC 涂层几乎无法满足大载荷、高速运转环境下的使用要求。近年来科研人员对有多层、梯度层等过渡层和掺杂的DLC涂层体系进行了研究，如Bujak等23采用脉冲偏压过滤阴极弧沉积以Cr/CrN作为过镀层的Cr-DLC 薄膜，但由于表层 DLC 结合强度不好，涂层在 5 N的载荷下摩擦300 r即分层失效。DLC涂层的应用特别是在大负载等工况下的应用仍然受到限制，主要原因是缺乏对有多种过渡层的掺杂DLC复合涂层从试验到工程的系统研究与论证，同时，涂层在大负载下因应力释放造成的开裂和脱落问题也没有得到有效解决8，20。本文针对DLC复合涂层大载荷、高速运转等工况下的承载能力问题，采用阴极真空电弧离子镀和微波等离子体辅助化学气相沉积复合工艺制备含氢、掺杂金属和具有过渡层的DLC复合涂层，研究阴极电弧靶电流对Cr-DLC成分、结构的影响、对比分析具有不同的承载过渡层的DLC复合涂层的摩擦磨损性能和承载能力，期望通过过渡层结构的设计提高轴承钢基底材料的耐磨性能，为涂层零件的工程应用提供支持。1涂层结构和沉积工艺设计DLC涂层虽然具有优异的性能，但脆性较高，意味着沉积在“软基体”表面或在大载荷下工作时涂层极易产生裂纹而失效。本研究设计的三种复合涂层如图1所示。三种复合涂层均以Cr金属作为下黏结层实现轴承钢基底材料与涂层材料热膨胀系数的匹配；通过周期承载层结构阻止裂纹扩展，降低应力并提供硬度支撑，获得高硬度、高韧性和高承载能力，实现大载荷、高速运转工况下涂层结构和功能的完整性；用上黏结层提高Cr-DLC涂层的附着性能；用Cr-DLC表面层实现摩擦过程中接触副之间减摩耐磨的功能；通过掺杂Cr元素降低DLC涂层的内应力，防止涂层剥落。图1不同的Cr-DLC复合涂层结构示意图Fig.1Schematic diagram of three different Cr-DLC coating structure工艺流程为：（1）对于无承载过渡层的Cr-DLC复合涂层，沉积Cr下黏结层和CrCN/CrN上黏结层，以提高涂层与基体的附着力，然后制备掺杂 Cr的DLC薄膜；（2）对于有（Cr/CrN）x周期承载过渡层结构的复合涂层，通过调制氮气和乙炔气体流量，在基底表面先沉积（Cr/CrN）x周期承载过渡层，而后沉积 CrCN/CrC 上黏结层，最后沉积 Cr-DLC 层，制备承载过渡层过程中保持气体压力不变；（3）对于具有梯度CrN1CrNx承载过渡层结构的复合涂层，首先沉积Cr黏结层，再通入氮气并调节氮气流量随时间呈梯度增大，沉积梯度过渡层，而后沉积 CrCN/CrC上黏结层，最后沉积Cr-DLC层，制备承载过渡真空与低温第 29 卷第 2 期138层过程中保持气体压力不变。各层制备工艺参数如表1所列。表1复合涂层各层制备工艺参数Tab.1The process parameter of different layers for composite coatings各层材料CrCrNCrN1CrNxCrCNCrCCr-DLCCr 靶电流/A10010010010010012060脉冲偏压/kV-500 40-160 40-160 40-160 40-160 40-160 40Ar 流量cm3/min100100100100100100C2H2流量cm3/min0001000500N2流量/cm3/min05002005003003005000气压/Pa0.80.80.80.80.80.82试验与测试采用阴极真空电弧离子镀和微波等离子体辅助化学气相