硬質(zhì)納米多層膜的微結(jié)構(gòu)與超硬效應(yīng).pdf

1、以TiN為代表的陶瓷硬質(zhì)薄膜在包括切削工具涂層在內(nèi)的表面改性和防護(hù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。制造業(yè)中高速切削和干式切削等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展對刀具提出了更高的要求，需要作為刀具涂層的薄膜材料不僅具有更高的硬度，還應(yīng)具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性。納米多層膜因超硬效應(yīng)具有高硬度，特別是它們材料組合的多樣性而獲得的性能可剪裁性展示了在刀具涂層上的廣闊應(yīng)用前景。而這類材料通過人工微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得高硬度的強(qiáng)化機(jī)制更具理論研究價(jià)值。然而，目前尚不能僅從理論上設(shè)計(jì)出具有超硬

2、效應(yīng)的納米多層膜，實(shí)驗(yàn)探索仍是獲得高硬度納米多層膜的主要研究方法。 本論文采用磁控濺射技術(shù)制備了VN/SiO2、VN/AlON、ZrO2/TiN和TiAlN/Si3N4等體系的納米多層膜，采用XRD、TEM、EDX、SEM和微力學(xué)探針等先進(jìn)測試方法表征了薄膜的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。研究了通過濺射方法獲得含氧化物納米多層膜的制備技術(shù)；研究了納米多層膜中不同晶體結(jié)構(gòu)模板層對另一調(diào)制層晶體生長作用的模板效應(yīng)；研究了納米多層膜的高溫穩(wěn)定性；

3、討論了納米多層膜的超硬機(jī)制。并基于所得研究結(jié)果對現(xiàn)有高硬度納米多層膜的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提出了修正和補(bǔ)充。 論文的主要研究結(jié)果如下： 1.對VN/SiO2和VN/AlON納米多層膜的研究表明，采用金屬靶和氧化物陶瓷靶，通過在Ar-N2混合氣氛中反應(yīng)濺射的方法可以高效率地沉積具有高硬度的含氧化物納米多層膜。在VN/SiO2和VN/AlON納米多層膜中，由于NaCl結(jié)構(gòu)VN層晶體結(jié)構(gòu)的模板效應(yīng)，通常濺射態(tài)為非晶的SiO2或AlON層在

4、其厚度小于約1nm時(shí)能夠晶化，并與VN層共格外延生長，從而使多層膜的硬度得到明顯提高，最高硬度分別達(dá)到34GPa和30Gpa;隨著自身厚度的進(jìn)一步增加，SiO2或AlON層逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑蔷B(tài)生長，阻斷了納米多層膜的共格外延生長，多層膜的硬度隨之降低。而模板層VN的厚度改變對納米多層膜的生長結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響相對較小。 2.對ZrO2/TiN納米多層膜的研究表明，與立方結(jié)構(gòu)的氮化物一樣，四方結(jié)構(gòu)的ZrO2也呈現(xiàn)出影響另一沉積層(T

5、iN)晶體生長的模板效應(yīng)，在此效應(yīng)下，通常僅以立方結(jié)構(gòu)存在的TiN在層厚小于1.8nm時(shí)被強(qiáng)制改變其晶體結(jié)構(gòu)，形成與ZrO2相同的亞穩(wěn)態(tài)四方晶體結(jié)構(gòu)，并與ZrO2共格外延生長。隨TiN層厚的增加，ZrO2晶體層對TiN贗晶生長的模板效應(yīng)逐漸減弱，TiN又以其穩(wěn)定的NaCl結(jié)構(gòu)生長，多層膜的共格外延生長結(jié)構(gòu)遭到破壞，形成了四方結(jié)構(gòu)ZrO2和立方結(jié)構(gòu)TiN交替生長的非共格納米多層結(jié)構(gòu)。ZrO2/TiN納米多層膜沒有顯示出硬度明顯升高的超硬效

6、應(yīng)，其原因與多層膜中的共格應(yīng)變使得兩調(diào)制層材料模量差異的減小有關(guān)。 3.在TiAlN/Si3N4納米多層膜中，由于TiAlN層晶體結(jié)構(gòu)的模板作用，濺射態(tài)為非晶的Si3N4在厚度小于0.6nm時(shí)被晶化，并與TiAlN層形成共格外延生長，多層膜產(chǎn)生硬度高達(dá)52GPa的超硬效應(yīng)。隨著層厚的增加，Si3N4轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑蔷B(tài)生長，多層膜的硬度也隨之降低。高溫穩(wěn)定性研究表明，該體系納米多層膜具有良好的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，即使在900℃的溫度，多層

7、膜仍能保持其晶體結(jié)構(gòu)和調(diào)制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，其硬度也依然明顯高于TiAlN單層膜。但多層膜的抗氧化性并沒有相對于TiAlN單層膜得到明顯提高。 4.論文的研究發(fā)現(xiàn)，兩調(diào)制層形成共格結(jié)構(gòu)是納米多層膜獲得超硬效應(yīng)的必要條件。模量差強(qiáng)化是納米多層膜獲得超硬效應(yīng)的主要機(jī)制，但應(yīng)考慮各調(diào)制層模量在共格生長形成的交變應(yīng)力場作用下的改變。基于這一研究結(jié)果，論文對現(xiàn)有高硬度納米多層膜的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提出了修正和補(bǔ)充： 1)兩調(diào)制層應(yīng)形成共格外延生長

8、。 兩調(diào)制層形成共格界面是納米多層膜產(chǎn)生超硬效應(yīng)的必要條件，但多層膜在材料組合上并不僅限于晶格參數(shù)相近的兩種材料，借助于納米多層膜晶體生長的模板效應(yīng)，兩種結(jié)構(gòu)類型不同的晶體材料、甚至其中一種為非晶的材料也可形成產(chǎn)生超硬效應(yīng)所必須的共格界面結(jié)構(gòu)； 2)調(diào)制層在形成共格結(jié)構(gòu)后材料的模量差應(yīng)盡可能大。 共格生長的兩調(diào)制層存在模量差是納米多層膜獲得超硬效應(yīng)的主要原因，但是，對于各調(diào)制層的模量，應(yīng)是納米多層膜形成共格結(jié)構(gòu)后