N掺杂对V-Al-C涂层微观结构、力学及摩擦性能的影响

分类： 材料科学 >> 材料科学（综合） 提交时间： 2017-03-31 合作期刊: 《金属学报》

王鑫 王振玉 冯再新 柯培玲 汪爱英

摘要： 采用磁控溅射技术在硅片(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，韧性得到相应提高（H/E>0.1）。摩擦试验结果显示：大气干摩擦条件下，V-Al-C涂层摩擦系数为0.70，引入N后V-Al-C-N摩擦系数降为0.42，这主要是由于V-Al-C-N涂层在摩擦过程中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。进一步研究表明：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。在以上三种环境摩擦过程中，30min后V-Al-C涂层均因严重的磨粒磨损已磨穿而失效，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3.0×10-16m3/Nm，在海水中为1.4×10 15m3/Nm。

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