元素扩散对Cr2O3陶瓷薄膜结构和摩擦学性能的影响

何乃如，李建红，贾均红，刘宁，杨杰，梁海涛

元素扩散对Cr2O3陶瓷薄膜结构和摩擦学性能的影响

何乃如1，李建红1，贾均红1，刘宁2，杨杰1，梁海涛1

（1.陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021；2.西安航天复合材料研究所，西安 710025）

通过高温热处理，不同基材会发生不同的组织演变，研究了组织演变对基材中金属元素高温扩散的影响，从而判断其对多弧离子镀制备Cr2O3陶瓷薄膜形貌、结构以及摩擦学性能的影响。利用多弧离子镀技术在不同基材表面（Inconel 718合金、IC10合金、45钢、316不锈钢）沉积Cr2O3薄膜。使用扫描电子显微镜（SEM）和冷场发射扫描电镜（FESEM）分析了基材和薄膜高温退火前后的表面形貌，并且利用EDS分析了基材和薄膜表面的元素含量变化。采用X射线衍射仪（XRD）对Cr2O3薄膜进行物相分析，使用往复摩擦磨损试验仪、三维轮廓仪以及扫描电子显微镜分析了基材和薄膜退火前后的摩擦学性能。热处理后基材中的元素会扩散到其表面，Inconel 718合金、IC10合金和45钢热处理后，其摩擦因数降低。在Inconel 718合金和316不锈钢表面沉积的Cr2O3薄膜高温退火后，基材中的金属元素沿着Cr2O3薄膜晶界扩散至薄膜表面，并与大气中的O2反应形成三元氧化物。Cr2O3薄膜经1 000 ℃退火后，Inconel 718合金中的Ti元素扩散至Cr2O3薄膜表面形成类网状凸起结构，且薄膜表面形成CrTiO3和Cr2O3混合相，316不锈钢中的Mn元素扩散至Cr2O3薄膜表面形成尖晶石结构的MnCr2O4相，45钢表面上沉积的Cr2O3薄膜在850 ℃退火后薄膜表面形成以Fe元素为主的大颗粒，薄膜表面物相为Fe2O3和Cr2O3混合相，IC10合金表面上沉积的Cr2O3薄膜表面没有发现基材中的金属元素，主要物相为Cr2O3相。Cr2O3薄膜退火后摩擦因数降低至0.45左右。Inconel 718合金、45钢以及316不锈钢中的金属元素扩散至薄膜表面时，其对Cr2O3薄膜的物相组成、表面形貌以及摩擦学性能有很大的影响。IC10合金表面上沉积的Cr2O3薄膜热处理后，磨损寿命较低。Inconel 718合金表面上沉积的Cr2O3薄膜具有优异的摩擦学性能。

多弧离子镀；不同基材；Cr2O3薄膜；热处理；元素扩散；摩擦与磨损

氧化铬由于较高的硬度，一直被认为是最硬的氧化物，并且具有耐磨、耐蚀性、低摩擦因数等优点，被广泛用于磁带磁头的保护层、轴承材料等[1-5]。研究人员利用热喷涂技术制备Cr2O3涂层，发现Cr2O3的耐磨性能好，摩擦因数低，但其硬度低于Cr2O3块体材料[6]。而选择电弧离子镀技术制备Cr2O3薄膜时发现其硬度达到了36 GPa，远远高于其他的制备方法[6-7]。通过电弧离子镀制备工艺优化，获得柱状组织的Cr2O3薄膜时，其最为致密，且拥有较高硬度及低摩擦因数[8-9]。此外，庞晓露等[10]对磁控溅射制备的Cr2O3薄膜进行热处理时发现，当退火温度高于晶化温度时，氧化铬的硬度、耐磨性以及膜基结合力均显著提高。

基于Cr2O3薄膜优异的力学及摩擦学性能，笔者前期采用多弧离子镀制备了Cr2O3薄膜，并采取不同温度的热处理，研究结果表明，随退火温度的升高，亚稳态的原始薄膜发生再结晶，薄膜的缺陷减少。经800 ℃退火后，Cr2O3薄膜在400～600 ℃环境下的摩擦因数明显下降[1]。同时发现当退火温度达到1 000 ℃时，退火处理后Cr2O3薄膜表面形成了类网状的凸起结构，且在凸起区域检测到Ti元素的存在，同时硬度和韧性的增加使耐磨寿命极大地提高。当退火温度达到1 000 ℃时，Inconel 718基材中的Ti元素和Cr元素会向Cr2O3薄膜表面扩散并与大气中的O原子结合形成三元氧化物从而形成了凸起结构，这种具有特殊形貌的三元氧化物在高温下具有自我修复的功能，并赋予Cr2O3薄膜非常优异的宽温域多循环的自润滑性能[11-15]。

Inconel 718基材在热处理后由于相变引起了基材中的元素沿着晶界向基材表面扩散[16]，但金属元素的扩散机理有待进一步研究。为此，本文在Inconel 718合金的基础上选择IC10、45钢以及316不锈钢作为基材，研究不同基材高温下组织演变对基材中金属元素扩散的影响，从而探讨了不同基材中金属元素的扩散机理及其对Cr2O3薄膜表面形貌、结构及摩擦学性能的影响。

1 试验

1.1 薄膜制备

采用多弧离子镀技术（如图1所示）分别在Inconel 718、IC10、45钢和316不锈钢基材表面上沉积Cr2O3薄膜。6个Cr靶（纯度99.9%）为阴极靶，反应气体为高纯O2（纯度99.9%），溅射气体为高纯Ar（纯度99.9%）。在沉积薄膜之前，Inconel 718、IC10、45钢和316不锈钢首先抛光至镜面（为20～40 nm），随后用丙酮超声清洗3次，每次清洗15 min，并用氮气吹干，随后放于真空腔室内，将真空腔室预热至150 ℃。为了去除基材表面的氧化物，对基材进行Ar+清洗（偏压‒800 V，压强2.1 Pa，25 min）。为了提高薄膜与基材的结合力，在基材表面沉积400 nm厚的Cr过渡层，然后在5 min内缓慢通入O2，并沉积Cr2O3薄膜30 min。Cr2O3薄膜制备具体工艺参数见表1。

图1 试验设备示意图

表1 Cr2O3薄膜的沉积参数

Tab.1 Deposition parameters of the Cr2O3 film

1.2 退火处理

利用高温马弗炉分别对基材和Cr2O3薄膜进行1 000 ℃和850 ℃退火处理，Inconel 718、IC10、45钢和316不锈钢基材分别记为样品a、b、c和d，基材退火处理后分别记为样品a1、b1、c1和d1，Inconel 718、IC10、45钢和316不锈钢表面上沉积的Cr2O3薄膜分别记为样品a2、b2、c2和d2，Cr2O3薄膜退火后分别记为样品a3、b3、c3和d3。热处理工艺如表2所示，升温速率设为5 ℃/min，所有保温时间为120 min，所有的试样保温结束后在高温马弗炉中随炉冷却至室温。

表2 热处理工艺

Tab.2 Heat treatment process

1.3 测试手段

通过JSM-5600L扫描电子显微镜（SEM）对不同基材退火处理前后和Cr2O3薄膜退火处理前后进行形貌分析，并利用EDS对其进行元素分析。利用JSM-6701F冷场发射扫描电镜（FESEM）观察退火前后样品的微观形貌，采用Philips公司的X’Pert-MRD型X射线衍射仪（XRD）对退火前后样品的结构进行分析，所用的激发源为Cu-Kα射线（=0.154 056 nm，40 kV，40 mA），扫描范围为10°～90°。

利用往复摩擦磨损试验仪（MSR-2T型）分析样品退火前后的摩擦学性能，对偶球为6 mm的Al2O3陶瓷球，法向载荷为2 N，往复滑行速度为20 mm/s，利用三维轮廓仪测量了磨损横截面积并计算磨损率，并用SEM观察磨痕形貌。

2 结果及分析

2.1 不同基材的热扩散对Cr2O3薄膜表面形貌和结构的影响

为了研究基材元素在Cr2O3薄膜中的扩散机制，首先对不同合金基材进行高温热处理。图2为不同合金基材热处理后的表面形貌，可以看出，不同的基材经过热处理，表面有很大的变化。从图2a可以看出，Inconel 718经1 000 ℃退火后在表面形成了类网状的凸起结构，并伴随着晶粒长大。从图2b可以看出，IC10经1 000 ℃退火后表面只出现了轻微的晶粒长大现象，并且可以观察到少量晶粒脱落形成的脱落坑。45钢经850 ℃退火后（如图2c所示）表面晶粒明显长大，达到10 μm量级，并呈现疏松结构。而316不锈钢经1 000 ℃退火后（如图2d所示）表面则形成了不均匀的层状结构。如表3所示，对不同基材退火前后的元素分析发现，Inconel 718合金退火后发现基材表面O、Ti、Cr元素的相对含量比退火前大幅度增加，这是因为在高温下基材中的金属元素会在基材的结晶处发生偏析聚集而向合金表面扩散。Inconel 718合金中的δ相在980 ℃下开始溶解，而这种相的溶解会导致高温合金发生再结晶从而形成新的晶界，所以1 000 ℃退火时大量晶界的形成促进了基材中Ti、Cr元素向合金表面扩散与O2发生反应形成三元氧化物[16-18]。IC10高温环境下其表面会形成Cr2O3氧化膜阻碍合金进一步氧化，因此合金热处理后表面O、Cr元素含量增加。45钢在850 ℃温度下全部转变为奥氏体，同时发生明显氧化[19]。316不锈钢退火后，表面检测到Mn元素的含量增加。

图2 不同基材退火后的表面形貌

表3 不同基材退火前后的元素含量变化

Tab.3 Changes in element content of different substrates before and after being annealed

Inconel 718合金表面沉积Cr2O3薄膜的截面形貌图3a所示，可以看出，薄膜的厚度约为1.7 μm，并且通过过渡层的设计，氧化铬陶瓷薄膜的结合度较好。在不同基材上沉积Cr2O3薄膜的形貌与结构一致，因此选择样品a2进行对比分析。由图3不同基材表面Cr2O3薄膜高温退火前后SEM形貌可以看出，Inconel 718合金表面沉积的Cr2O3薄膜经1 000 ℃退火后形成了类网状凸起结构，这种结构与上述基材退火后形成的凸起结构类似。由表4中EDS分析结果可以发现，薄膜表面检测到Ti元素，由于基材在高温下发生相转变促使基材中的金属元素向界面扩散，再由Cr2O3薄膜再结晶形成新的晶界使界面处的Ti元素扩散到Cr2O3薄膜表面，形成的这种结构使Cr2O3薄膜在宽温域内具有良好的润滑效果[14-16]，IC10合金表面沉积的Cr2O3薄膜经高温热处理后表面比较光滑，仅有几个大颗粒嵌入薄膜表面，这主要是由于原始薄膜在沉积过程中存在的大颗粒，经高温氧化后体积进一步长大。EDS结果表明，薄膜表面只有O和Cr元素，IC10合金中的Ni、Mo、Al元素并没有发生扩散。图3d可以观察到薄膜表面比其他薄膜光滑，45钢表面沉积的Cr2O3薄膜经850 ℃退火处理后薄膜表面形成了较大的颗粒，且EDS结果显示薄膜表面存在Fe元素。如图4所示，对颗粒进一步分析发现这种较大的颗粒主要成分为Fe元素。在颗粒状区域1发现Fe元素的质量分数为64.81%，Cr元素仅有5.95%，在光滑区域2发现Fe元素仅有1.81%，但Cr元素的含量为67.14%。45钢表面上沉积的Cr2O3薄膜在850 ℃退火时，Fe元素随基材相的转变而析出，并通过薄膜的晶界向其表面扩散，且形成了这种较大颗粒。316不锈钢表面沉积的Cr2O3薄膜经1 000 ℃退火处理后，表面明显观察到晶界，且薄膜表面也检测到了大量的Mn元素。退火过程中316不锈钢基材再结晶提高了晶界比例，晶界的结构相比于晶体内是比较疏松的，并且容易导致杂质原子发生聚集，晶界处的能量较高容易发生熔化和氧化[20]，且Mn和Fe元素沿着316不锈钢基材的晶界扩散其薄膜表面，所以在薄膜表面观察到晶界的形成。

如图5所示，对退火前后Cr2O3薄膜进行微观形貌分析发现，原始薄膜表面存在针孔、大颗粒等缺陷，经高温退火处理后Cr2O3薄膜均出现明显的晶粒长大。从图5b可以看出，Cr2O3薄膜表面凸起部分结构致密，且晶粒要比平坦区域大。IC10合金表面的Cr2O3薄膜退火后晶粒粗大，且结构较为疏松。对于45钢表面的Cr2O3薄膜而言，由于退火温度较低（850 ℃），薄膜晶粒虽然长大，但保持纳米晶体结构。当基材为316不锈钢时，经1 000 ℃退火处理后的薄膜晶粒明显长大，由图5e可以看出，薄膜表面形成了微米级的八面体大晶粒。

图3 Cr2O3薄膜退火前后的截面和表面形貌

表4 不同基材表面沉积Cr2O3薄膜退火前后的元素含量变化

Tab.4 Changes in element content of Cr2O3 films deposited on the surface of different substrates before and after being annealed

为了进一步说明不同基材上沉积Cr2O3薄膜退火前后的晶体结构，图6给出了Cr2O3薄膜退火前后的XRD谱图。从图6中a2曲线可以看出，原始薄膜的衍射峰较宽，说明原始薄膜的结晶度较低。然而薄膜在高温退火后结晶度明显提高，从图6中a3曲线可以看出，Cr2O3薄膜在热处理过程中发生再结晶，并沿着（110）晶面择优生长，并且基材中的金属Ti元素扩散至薄膜表面形成了CrTiO3。而在IC10合金表面沉积的Cr2O3薄膜在热处理过程中沿着（104）和（116）晶面择优生长，结合EDS结果分析发现IC10基材中金属元素并没有发生扩散，在薄膜表面形成其他物相。图6中c3曲线可以发现45钢表面沉积的Cr2O3薄膜在热处理过程中同样沿着（104）和（116）晶面择优生长，同时也发现45钢中的Fe元素扩散至薄膜表面并固溶在Cr2O3晶格中，形成了Fe2O3的固溶体。当基材为316不锈钢时，Cr2O3薄膜在热处理过程中沿着（110）晶面择优生长，同时，基材中的Mn元素扩散至薄膜表面形成了八面体尖晶石结构的MnCr2O4（PDF#54-0876）。

图4 图3e中大颗粒分析

图5 Cr2O3薄膜退火前后的FESEM表面形貌

2.2 摩擦学性能

图7给出了不同基材退火前后以及不同基材表面上沉积的Cr2O3薄膜退火前后的摩擦因数曲线。Inconel 718合金、IC10合金以及45钢退火后，由于表面氧化膜的存在使得摩擦因数相比原始合金略有降低。结合图8a可以看出，Inconel 718合金的磨损率为7.43×10‒4mm‒3·n‒1·m‒1，1 000 ℃退火后磨损率急剧减小至1.35×10‒6mm‒3·n‒1·m‒1，与Inconel 718合金相比，1 000 ℃退火处理使其表面氧化形成了Cr2O3和Cr2Ti7O17混合相。其次，凸起结构的成分Cr2Ti7O17相与Magnéli相相似，Magnéli相中由于氧空位而导致易剪切面的存在[16-21]，Cr2Ti7O17相符合Magnéli相的组成，从而导致摩擦因数下降以及磨损率降低。从图9a也可以看出，退火前磨痕内有明显的犁沟以及磨损引起的剥落，且磨痕较宽，这与较大的摩擦因数和磨损率相对应，退火后（图9e）磨痕内比较光滑，这与双金属氧化物的减磨作用有极大的关系[16]。IC10合金的磨损率约为5.62×10‒5mm‒3·n‒1·m‒1，与IC10合金相比，1 000 ℃退火处理使其磨损率降低了大约100倍。从图9b可以看到磨损引起的剥落、犁沟、裂纹及脆性断裂，这与较高的磨损率相对应，退火后（图9f）磨痕内以Cr2O3相为主的氧化层起到减磨作用，且观察到氧化层轻微断裂。但是45钢和316不锈钢退火处理前后磨损率变化不大，45钢退火前（图9c）磨痕内观察到磨损引起的剥落及较深的犁沟，退火后（图9g）其表层形成了以Fe2O3相（Fe-O相图）为主的凸起氧化层起到减磨作用[23]。316不锈钢退火前（图9d所示）磨痕内有较大的颗粒，退火后（图9f）表面形成了Fe3O4和Fe2O3混合相的不均匀层状结构[22-23]，且磨痕内由磨损引起的剥落，结合图2d的形貌分析，可以看到退火后在其表面形成了双层的膜层，下层较为致密，而上表层形成了不均匀的氧化层而导致摩擦因数急剧增大。

图6 Cr2O3薄膜退火前后的XRD谱图（a2代表原始薄膜，a3代表Inconel 718合金表面沉积Cr2O3薄膜在1 000 ℃退火，b3代表IC10合金表面沉积Cr2O3薄膜在1 000 ℃退火，c3代表45钢表面沉积Cr2O3薄膜在850 ℃退火，d3代表 316不锈钢表面沉积Cr2O3薄膜在1 000 ℃退火）

图7 不同基材退火处理前后和Cr2O3薄膜退火处理前后的摩擦因数（a代表Inconel 718合金；b代表IC10合金；c代表45钢；d代表 316不锈钢；a1代表 Inconel 718合金在1 000 ℃退火；b1代表 IC10合金在1 000 ℃退火；c1代表 45钢在850 ℃退火；d1代表316不锈钢在1 000 ℃退火；a2代表Inconel 718合金表面沉积Cr2O3薄膜；b2代表IC10合金表面沉积Cr2O3薄膜；c2代表45钢表面沉积Cr2O3薄膜；d2代表316不锈钢表面沉积Cr2O3薄膜；a3代表Inconel 718合金表面沉积Cr2O3薄膜在1 000 ℃退火；b3代表 IC10合金表面沉积Cr2O3薄膜在1 000 ℃退火；c3代表45钢表面沉积Cr2O3薄膜在850 ℃退火；d3代表316不锈钢表面沉积Cr2O3薄膜在1 000 ℃退火）

Fig.8 Friction coefficient of different substrates before and after being annealed and Cr2O3flim before and after being annealed (a is Inconel 718 alloy; a1 is Inconel 718 alloy after being annealed at 1 000 ℃; b is IC10 alloy; b1 is IC10 alloy after being annealed at 1 000 ℃; c is 45 steel; c1 is 45 steel after being annealed at 850 ℃; d is 316 stainless steel; d1 is 316 stainless steel after being annealed at 1 000 ℃; a2 is Cr2O3film deposited on the surface of Inconel 718 alloy; a3 is Cr2O3film deposited on the surface of Inconel 718 alloy was annealed at 1 000 ℃; b2 is Cr2O3film deposited on the surface of IC10; b3 is Cr2O3film deposited on the surface of IC10 alloy was annealed at 1 000 ℃; c2 is Cr2O3film deposited on the surface of 45 steel; c3 is Cr2O3film deposited on the surface of 45 steel was annealed at 850 ℃; d2 is Cr2O3film deposited on the surface of 316 stainless steel; d3 is Cr2O3film deposited on the surface of 316 stainless steel was annealed at 1 000 ℃)

图9 不同基材退火前后的磨痕形貌

在Cr2O3薄膜制备过程中不同基材对其结构与形貌没有明显影响，因此退火前薄膜的摩擦因数都基本保持在0.55左右，退火处理后Cr2O3薄膜的摩擦因数均下降。从图8可以看出，不同基材上沉积的Cr2O3薄膜退火处理前的磨损率基本都保持在10‒6的数量级，这与图10中磨痕形貌比较光滑相一致。Inconel 718合金表面上沉积的Cr2O3薄膜退火前（图8中a2样品）磨损率为1.46×10‒6mm‒3·n‒1·m‒1，退火处理后（图10e）磨痕比退火前窄（图10a），且在磨痕内观察到类网状凸起结构，这主要是由于其基材中的金属元素扩散至薄膜表面形成了CrTiO3和Cr2O3润滑相，使其摩擦因数降低至0.45左右以及磨损率下降到1.35×10‒7mm‒3·n‒1·m‒1（图8中a3样品）。结合图5c的表面形貌可以看到薄膜的晶粒较粗大，结构较为疏松，所以IC10合金上沉积的Cr2O3薄膜退火后磨损寿命较低（图7中b3曲线），且在磨痕内（图10f）明显看到基材裸露，这与磨损寿命较低相对应。

45钢和316不锈钢表面沉积的Cr2O3薄膜退火后磨损率增大（图8中c3和d3样品），45钢热处理温度为850 ℃，由图4知，表面生成了以Fe元素为主的大颗粒，图10g可以看到磨痕两边有堆积的磨屑，摩擦时发生了磨粒磨损，故磨损率较大（图8中c3样品），且薄膜热处理后Cr2O3薄膜表层形成了耐磨的Fe2O3相导致摩擦因数降低[23]（图7中c3曲线）。316不锈钢表面上沉积的Cr2O3薄膜退火后（图10h）在磨痕内观察到晶界结构，与图10e不同的是组成晶界结构的晶粒大小、分布和形态不同，由FESEM可以看出，图5e的晶粒较大且比较分散，也看出薄膜表面的结构比较疏松，容易导致晶粒的脱落，导致了磨粒磨损，故磨损率较大（图8中d3样品），但316不锈钢基材中的Mn元素扩散至Cr2O3薄膜表面形成了尖晶石结构的MnCr2O4相，与Cr2O3相协同降低了其摩擦因数（图7中d3曲线）。

图10 不同基材表面沉积的Cr2O3薄膜退火前后的磨痕形貌

3 结论

1）Inconel718、IC10、45钢以及316不锈钢经高温退火后基材中的金属元素扩散到其表面，除316不锈钢外，退火后的摩擦因数明显降低。

2）Inconel718合金、IC10合金、45钢以及316不锈钢表面沉积的Cr2O3薄膜经高温退火后发现只有基材发生相变或者有大量晶界的形成才能将基材中的金属元素扩散到Cr2O3薄膜表面，且对Cr2O3薄膜表面形貌、结构以及摩擦学性能有很大的影响。

3）在高温下，由于化学势的差异使基材中的原子沿着Cr2O3薄膜晶界扩散至薄膜的表面，并与大气中的O原子结合形成氧化物相，并且显著地提高了Cr2O3薄膜的结晶度、消除了薄膜的缺陷以及降低了其摩擦因数，Inconel718合金、45钢以及316不锈钢表面上沉积的Cr2O3薄膜经高温退火后摩擦因数都保持在0.45左右，Inconel718合金表面上沉积的Cr2O3薄膜具有优异的摩擦学性能。

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Effect of Element Diffusion on Structure and Tribological Properties of Cr2O3Ceramic Films Prepared by Multi-arc Ion Plating

1,1,1,2,1,1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi'an 710021, China; 2. Xi'an Aerospace Composites Research Institute, Xi'an 710025, China)

The Cr2O3ceramic films prepared by multi-arc ion plating possess a low friction coefficient, good wear resistant and oxidation resistance. Meanwhile, high temperature annealing could improve the mechanical properties of Cr2O3films significantly. In previous work, we found that the metal elements in the substrate would diffuse to the film surface and oxidize to form a ternary metal oxide with lubricating property. Thus, in order to research the diffusion behaviours of the metal elements in the substrate, the effects of microstructure evolution of the substrates on the metal elements diffusion in high temperature, and the evolutions of morphologies, microstructure and tribological properties of the Cr2O3films were also researched in detail.

Cr2O3ceramic films were deposited on the surfaces of different substrate (Inconel 718 alloy, IC10 alloy, 45 steel and 316 stainless steel, polished to a roughness () of 20 to 40 nm) by multi-arc ion plating technology. Pure Ar (99.99%) and O2(99.99%) were utilized as working gases. After cleaning with acetone for three times and drying with nitrogen, the substrates were pre-heated to 150 ℃ by placed into the vacuum chamber. Substrates were cleaned with Ar+(bias voltage ‒800 V, pressure 2.1 Pa, 25 min) to remove oxides layer on the surface of the substrates. Firstly, Cr transition layer was deposited to improve adhesion strength between substrate and Cr2O3film in pure Ar atmosphere, and then O2was slowly introduced within 5 minutes, finally Cr2O3film was deposited for 30 minutes. The working current, voltage, duty cycle, substrate temperature, working pressure and ratio of O2: Ar were 80 A, ‒100 V, 40%, 150 ℃, 0.63 Pa, 110: 200 (ml/min), respectively. The films deposited on the surface of Inconel 718 alloy, IC10 alloy and 316 stainless steel were annealed at 1 000 ℃, and the film deposited on the surface of 45 steel was annealed at 850 ℃. Meanwhile, the corresponding different substrates were also annealed accordingly. Scanning electron microscope (SEM) and cold field emission scanning electron microscope (FESEM) are used to analyze the surface morphologies of the substrate and film before and after annealing and the changes of element content on the surface of the substrate and the film are analyzed by EDS. The phase of Cr2O3films are analyzed by X-ray diffraction (XRD). The tribological properties of the substrate and film before and after annealing are analyzed by reciprocating friction and wear tester, a three-dimensional profiler and SEM.

After annealing, the elements in the substrate diffuse to its surface, and the friction coefficient of Inconel 718 alloy, IC10 alloy and 45 steel are reduce. The metal elements in the substrate of Inconel 718 alloy and 316 stainless steel diffuse along the grain boundary of the Cr2O3film to the surface in the process of annealing, and then form the ternary oxides in atmosphere. After annealing at 1 000 ℃, the Ti element in Inconel 718 alloy diffuse to the surface of the Cr2O3film and form a mesh-like heave structure which comprised of CrTiO3and Cr2O3. The Mn element in 316 stainless steel diffuse to the surface of the Cr2O3film and form spinel structure of MnCr2O4phase. After annealing at 850 ℃, the Cr2O3film deposited on surface of 45 steel forms large particles dominated by Fe elemen. The phase of the film surface is a mixed phase of Fe2O3and Cr2O3. Metal elements in the substrate are not found on the surface of the Cr2O3film deposited on the IC10 alloy, and the main phase is Cr2O3.The friction coefficient of the Cr2O3film reduces to about 0.45 after annealing.

Metal elements in Inconel 718 alloy, 45 steel and 316 stainless steel diffuse to the surface of the film, which has a great influence on the phase composition, surface morphologies and tribological properties of the Cr2O3film. The Cr2O3film deposited on the surface of the IC10 alloy has a poor anti-wear performance after annealing. The Cr2O3film deposited on the surface of Inconel 718 alloy exhibits excellent tribological properties.

multi-arc ion plating; different substrates; Cr2O3film; annealing; element diffusion; friction and wear

2021-08-12；

2012-12-07

HE Nai-ru (1989-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: self-lubricating film.

贾均红（1974—），男，博士，教授，主要研究方向为摩擦学及表面工程。

JIA Jun-hong (1974-), Male, Doctor, Professor, Research focus: tribology and surface engineering.

何乃如, 李建红, 贾均红, 等. 元素扩散对Cr2O3陶瓷薄膜结构和摩擦学性能的影响[J]. 表面技术, 2022, 51(9): 91-101.

th117

A

1001-3660(2022)09-0091-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–08–12；

2021–12–07

国家自然科学基金项目（51905325）；中国博士后科学基金项目（2019M653525）

Fund：The National Natural Science Foundation of China (51905325); China Postdoctoral Science Foundation (2019M653525)

何乃如（1989—），男，博士，副教授，主要研究方向为自润滑薄膜。

HE Nai-ru, LI Jian-hong, JIA Jun-hong, et al. Effect of Element Diffusion on Structure and Tribological Properties of Cr2O3Ceramic Films Prepared by Multi-arc Ion Plating[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 91-101.