CrAlN基單層及納米多層涂層的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及超硬效應(yīng)研究.pdf

1、CrAlN涂層是一種新型性能優(yōu)異的硬質(zhì)涂層,因其具有優(yōu)異的力學(xué)性能和抗高溫氧化性能而成為涂層領(lǐng)域的研究熱點。本文選擇直流反應(yīng)磁控濺射工藝,研究了工藝參數(shù)、元素比例對CrAlN涂層結(jié)構(gòu)、性能的影響,在此基礎(chǔ)上提出三元氮化物與氧化物組合成納米多層結(jié)構(gòu)提高硬度和抗氧化性能的技術(shù)路線,進(jìn)一步探索制備CrAlN/SiO2和CrAlN/AlON的工藝,分析測試了其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,并理論上對實驗現(xiàn)象進(jìn)行解釋。刀具涂層材料的最主要性能指標(biāo)是硬度和彈

2、性模量,因而本文主要是圍繞這兩個性能進(jìn)行優(yōu)化工藝,并通過納米壓痕技術(shù)表征這兩個性能;通過EDS檢測涂層成分、XRD分析微觀結(jié)構(gòu)、SEM和HRTEM觀察截面和微觀組織。論文主要結(jié)果如下:
　　(1)工藝參數(shù)對涂層性能的影響:采用直流反應(yīng)濺射可獲得沉積速率高、組織致密、性能優(yōu)異的高質(zhì)量涂層,所制備的涂層皆為c-CrN結(jié)構(gòu),Ar/N2氣流比、氣壓和基片溫度對涂層均有較大的影響。低的Ar/N2氣流比有利于提高涂層中的N含量,使涂層力學(xué)性能

3、提升,但過低的Ar/N2氣流比使靶面形成氮化物而造成沉積速率和性能下降,當(dāng)Ar/N2=1/1時所得涂層性能最好;總氣壓大小影響濺射粒子的數(shù)量和能量,在較低的氣壓下粒子能量較高,涂層致密,性能較好。隨著氣壓的升高,力學(xué)性能下降,沉積速率呈先增大后減小的趨勢;溫度影響粒子的遷移能力,沉積溫度過高導(dǎo)致晶粒長大,過低導(dǎo)致缺陷增多,二者均會引起性能的下降,因此只有在合適的沉積溫度下才能獲得性能優(yōu)異的CrAlN層,結(jié)果表明當(dāng)Ar/N2氣流比為1、總

4、氣壓為0.2Pa、溫度為300℃時所得涂層性能最好,可得到最大硬度和彈性模量分別為34.8GPa和434.3GPa。
　　(2)Al含量對涂層的影響:所制備的涂層皆為NaCl結(jié)構(gòu),Al含量在30％-60%時為c-CrN相,Al含量為70%時為c-CrN和c-AlN兩相的混合物;隨著Al含量的增加,晶格常數(shù)逐漸減小,而晶粒尺寸先減小后增大;在固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和形成充分陶瓷相三個因素的作用下,CrAlN涂層硬度和彈性模量隨Al含量的

5、增加逐漸升高,而過量的Al會引起相變和N含量不足造成性能下降。Al含量為60%時獲得最高硬度和彈性模量分別可達(dá)36.8GPa和459.5GPa,摩擦磨損性能最好,磨損機(jī)制為磨料磨損和微動磨損。CrAlN涂層在高載荷條件下表現(xiàn)出明顯優(yōu)越的摩擦磨損特性,涂層載荷承受能力明顯提高。
　　(3)制備了CrAlN/SiO2納米多層涂層,并通過HRTEM圖片觀測到在NaCl結(jié)構(gòu)的CrAlN模板作用下,非晶態(tài)的SiO2在厚度約小于0.7nm時轉(zhuǎn)

6、變?yōu)橼I晶結(jié)構(gòu),與CrAlN呈共格外延生長,共格外延生長的界面因存在模量差強(qiáng)化的作用使硬度增加,并隨SiO2厚度的增加而增大,在SiO2厚度為0.7nm時,硬度和彈性模量分別最大可達(dá)38.9GPa和417.7GPa,當(dāng)SiO2厚度超過1nm時,出現(xiàn)SiO2非晶夾層,與CrAlN層的共格外延生長遭到破壞,硬度和彈性模量隨之降低。
　　(4)制備了一系列具有不同調(diào)制周期的CrAlN/AlON納米多層涂層,并通過HRTEM圖片觀測到在Na

7、Cl結(jié)構(gòu)的CrAlN模板作用下,非晶態(tài)的AlON在厚度約小于0.9nm時轉(zhuǎn)變?yōu)橼I晶結(jié)構(gòu),與CrAlN呈共格外延生長;XRD圖譜表明納米多層涂層沒出現(xiàn)新的物相,在模量差強(qiáng)化的作用下,硬度有所提高。硬度隨AlON厚度的增加而增大,在AlON厚度為0.9nm時,硬度和彈性模量達(dá)到最大,分別為32.8GPa和404GPa,CrAlN/AlON納米多層雖然形成了共格界面,但因模量差不夠大而未能明顯增加硬度,當(dāng)AlON厚度超過1nm時,AlON又變