等离子体行为特性对不锈钢氮化加后涂层复合处理的影响机理研究

Low temperature plasma-assisted nitriding and unbalanced magnetron sputtering are the most effective and widely used surface strengthening techniques. However, a single enhanced treatment can not meet some special high-performance requirements, such as high fatigue strength, low friction and wear, and withstand high-speed load, especially for stainless steel widely used in the marine environment. Therefore, a duplex treatment of low temperature plasma-assisted nitriding and unbalanced magnetron sputtering deposition of TiN will been continuously carried out on the surface of austenitic stainless steel in a single plasma enhanced magnetron sputtering system in this subject, combined with plasma diagnostic methods, focusing on the influence rules of plasma behavioral characteristics (such as density, temperature, electric potential, energy distribution, etc.) on the phase structure, nitrogen concentration and its distribution in nitrided layer, as well as on the formation and growth of TiN film, revealing the strengthening mechanism of duplex modified layer, and clarifying the influence rules and mechanism of different intermediate treatment processes (such as heating, ion sputtering, etc.) on surface properties of duplex modified layer, especially adhesion strength between film and substrate. The fulfillment of this subject could provide a theoretical basis and a practical guidance for developing a duplex treatment process of stainless steel, improving surface properties of stainless steels, as well as realizing an on-line monitoring process based on plasma diagnostics.

低温等离子体氮化和非平衡磁控溅射是两种应用非常广泛的表面强化技术，但目前两种技术单独使用已无法满足一些特殊工件，特别是在海洋环境中使用较多的不锈钢部件对高疲劳强度、低摩擦磨损以及高承载能力等性能的要求。本项目以奥氏体不锈钢为研究对象，采用等离子体增强磁控溅射系统对其表面进行“低温等离子体氮化+非平衡磁控溅射沉积氮化钛”一体化连续式复合处理，并结合等离子体诊断的研究方法，重点研究等离子体的行为特性（如密度、温度、电位和能量分布等）对表面复合氮化改性层的相结构、氮浓度及分布梯度，以及TiN成膜和生长的影响规律，揭示复合改性层的表面强化机理；明确中间处理工艺（如加热、离子溅射等）对复合改性层膜基结合力等表面性能的影响规律和机理。从而，为开发不锈钢表面复合处理工艺、改善不锈钢表面性能，以及实现基于等离子体诊断的工艺在线监控提供理论依据和实践指导。

低温等离子体辅助氮化奥氏体不锈钢能够形成一种高含氮量的亚稳态过饱和固溶体，由于其高硬度、良好的耐磨性和耐腐蚀性而广泛应用于各工业和技术领域，特别是核电站、生物医学等。氮化层中的氮原子浓度呈现一种具有平台式的梯度分布，因此可以用来作为硬质涂层与软基体间的良好过渡层，由此发展成一种新型的氮化+涂层一体化的复合处理技术，使不锈钢具有高疲劳强度、低摩擦磨损以及高承载能力等高性能。本项目通过灯丝放电电流和基体偏压等工艺参数调节等离子体的密度和能量等行为特性，进而调控氮化层的结构及其分布，使其与硬质涂层形成良好的物性匹配；通过不同的中间过渡（纯Cr及梯度CrN层）处理，进一步提高复合改性层膜基结合力等表面性能，明确其影响规律与强化机理。结果表明：等离子体的密度随灯丝电流增加而呈线性增加；在不同放电电流下，达到基体的束流密度随偏压增加而增大，均在100V左右接近饱和值；氮在不锈钢中的扩散系数与基体表面电流密度呈正比，为10-10 cm2/s量级；氮化层中氮含量随等离子体密度和能量增加而增大，可达40 at%以上。这是由于Cr与氮的亲和力强，Cr能捕获N原子，使其优先占据面心立方的四面体间隙位置，而位于八面体间隙位置的N原子进一步向内部扩散，因此在氮化层中形成了两种分布形成，表层为平台区，氮原子浓度随等离子体密度增加而增大，分布梯度随着减小；内层为速降区，氮原子浓度接近误差函数分布。因此，氮化层能为硬质涂层提供良好的梯度过渡作用，且不增加新界面，有效解决了软基体上硬质涂层结合力差的问题。氮化复合硬质涂层硬度、耐磨性及膜基结合力均明显高于单一涂层，为开发不锈钢表面复合处理工艺、改善不锈钢表面性能，以及实现基于等离子体诊断的工艺在线监控提供理论依据和实践指导。