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CrAlSiWN 梯度涂层工艺参数优化及性能研究

CrAlSiWN涂层，多弧离子镀，正交实验法，工艺参数，性能研究

介绍：CrAlN涂层因具有较高的硬度，良好的抗氧化性被广泛用作硬质涂层材料。然而，CrAlN涂层与基体较低的附着力、硬度和摩擦强度限制了其应用。在CrAlN涂层中加入Si、W元素能够形成Si₃N₄相、WN和WO₃，显著提高涂层的硬度、摩擦磨损和高温性能。在镀膜中例如偏压、电流、温度、转速、占空比等工艺参数对涂层性能有很大影响。因此，在已有的研究理论基础上，我们在CrAlN涂层中添加Si、W元素，通过控制弧电流，基体偏压、转速及占空比制备CrAlSiWN梯度涂层,采用正交实验法对CrAlSiWN涂层进行参数优化，讨论了最优工艺参数下涂层的微观结构、力学性能、摩擦磨损和热力学性能，以期获得可以实际应用到企业生产的良好涂层。

材料和方法：采用多弧离子镀技术在高速钢基体上沉积CrAlSiWN涂层。利用钨灯丝扫描电子显微镜（SEM 3100）研究了CrAlSiWN涂层的微观结构和成分，采用X射线衍射仪（XRD）研究了涂层的晶体结构。通过维氏硬度计测量涂层的硬度。对涂层进行了划痕实验和压痕实验，以评估涂层与基体的附着力。摩擦磨损是在往复式摩擦磨损试验机（MFT-4000）中进行的，计算了涂层的磨损率，并对磨损轨迹进行了点分析。采用管式炉（GSL-1500X）分别在Ar和空气环境下对涂层进行了高温热稳定性和抗氧化性实验，以评价涂层在高温下热力学性能。

结果与讨论：最佳工艺下制备的CrAlSiWN涂层主要由fcc-CrN、fcc-AlN、fcc-WN锋组成, 表明涂层中存在(Cr,Al,Si,W)N固溶体，Si的2p的主峰位置在101.12 eV，代表了Si₃N₄非晶相的存在；由于涂层中存在W元素的固溶强化作用和Si元素的细晶强化作用，使涂层结合强度提高到89.20 N,显微硬度达到了3728 HV；涂层的摩擦系数为0.47，在磨损轨迹中有明显的犁沟状条纹和O元素存在，说明涂层存在磨粒磨损和氧化磨损现象；在800-900℃真空退火后，涂层中未出现六方结构h-AlN相，硬度变化不大；在1000℃，出现h-AlN衍射峰，硬度急剧下降到2100 HV；在1200℃时，涂层已经完全转化为六方相，硬度达到最低值800 HV。经过800-950℃恒温氧化后，表面形貌完好；1100℃后涂层Fe含量达到4.76%，但仍然能检测到涂层相，并且具有较低（0.08mg/mm^2）的氧化增重速率，在1250℃，Fe含量达到28.3%，其成分由Al₂O_3、Cr₂O₃氧化物组成，表明涂层完全失效。