鈦合金表面DLC薄膜的制備及其承載特性研究.pdf

1、本文以TC4合金為研究對(duì)象，首先，利用非平衡磁控濺射技術(shù)制備了具有Cr、Ti和Si過渡層的類金剛石（Diamond-like carbon，DLC）薄膜，探究了過渡層對(duì)DLC薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，考察了反應(yīng)磁控濺射參數(shù)（基底偏壓、沉積氣壓、甲烷流量和濺射功率）與DLC薄膜結(jié)構(gòu)、力學(xué)和摩擦學(xué)性能的關(guān)聯(lián)；其次，以不同基底偏壓下制備的DLC薄膜為基礎(chǔ)，利用有限元方法模擬了不同膜層順序（偏壓調(diào)控的軟硬薄膜）、調(diào)制周期、調(diào)制比例對(duì)多層DLC薄膜承

2、載能力的影響；最后，依據(jù)有限元模擬的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)制備了多層DLC薄膜，通過測(cè)試薄膜力學(xué)及摩擦學(xué)性能，研究了多層薄膜的承載能力。主要結(jié)論如下：
　　a.過渡層基本不改變DLC薄膜的結(jié)構(gòu)，不同過渡層DLC薄膜的內(nèi)應(yīng)力與各材料之間的線膨脹系數(shù)有關(guān)，Si/DLC薄膜具有最低的內(nèi)應(yīng)力（~0.44GPa），Cr/DLC薄膜具有最高的臨界載荷（~25.42N）；基底偏壓對(duì)DLC薄膜結(jié)構(gòu)、力學(xué)和摩擦學(xué)性能影響最大，隨基底偏壓的升高，薄膜的石墨化程度

3、加重，硬度、楊氏模量和內(nèi)應(yīng)力逐漸降低；偏壓-800V時(shí)薄膜具有最高的結(jié)合強(qiáng)度（~25.32N），且呈現(xiàn)了較低的摩擦系數(shù)（0.05）和較長(zhǎng)的磨損壽命。
　　b.不同膜層順序雙層DLC薄膜系統(tǒng)的應(yīng)力/應(yīng)變分布相似，最大徑向壓應(yīng)力出現(xiàn)在壓頭底部薄膜表面，最大的剪切應(yīng)力出現(xiàn)在遠(yuǎn)離對(duì)稱軸薄膜內(nèi)部，塑性應(yīng)變僅出現(xiàn)在基底；軟-1000V/硬-800V和軟-1000V/硬-600V薄膜系統(tǒng)具有較低的徑向應(yīng)力、剪切應(yīng)力、等效應(yīng)力和彈/塑性應(yīng)變；調(diào)制

4、周期的增加不僅改變了系統(tǒng)的應(yīng)力/應(yīng)變分布，而且大大降低了應(yīng)力最值，超過2周期應(yīng)力最值逐漸升高；隨調(diào)制比例（即硬薄膜厚度）的增加，徑向應(yīng)力最值逐漸降低，剪切應(yīng)力最值先增加后降低，等效應(yīng)力最值逐漸增加；綜合分析有限元模擬的結(jié)果，膜層順序（軟-1000V/硬-600V、軟-1000V/硬-800V和軟-1000V/硬-400V）、調(diào)制周期（2、3和4周期）和調(diào)制比例（1:1、1:2和1:3）薄膜系統(tǒng)具有較高的承載能力。
　　c.多層結(jié)構(gòu)

5、的引入提高了DLC薄膜的承載性能，相對(duì)于單層DLC薄膜，多層DLC薄膜具有更高的臨界載荷和承載能力。不同結(jié)構(gòu)多層DLC薄膜實(shí)驗(yàn)研究與有限元模擬結(jié)果基本一致，軟-1000V/硬-600V、軟-1000V/硬-800V、軟-1000V/硬-400V薄膜系統(tǒng)摩擦失效載荷分別為11、17、10N；調(diào)制周期的增加大大提高了薄膜與基底的結(jié)合強(qiáng)度（~31N），3周期薄膜系統(tǒng)硬度最高（~18.68GPa），2、3、4周期薄膜系統(tǒng)摩擦失效載荷分別為14、