CrAlN基单层及纳米多层涂层的微观结构、力学性能及超硬效应研究

论文摘要

CrAlN涂层是一种新型性能优异的硬质涂层，因其具有优异的力学性能和抗高温氧化性能而成为涂层领域的研究热点。本文选择直流反应磁控溅射工艺，研究了工艺参数、元素比例对CrAlN涂层结构、性能的影响，在此基础上提出三元氮化物与氧化物组合成纳米多层结构提高硬度和抗氧化性能的技术路线，进一步探索制备CrAlN/SiO2和CrAlN/AlON的工艺，分析测试了其微观结构和力学性能，并理论上对实验现象进行解释。刀具涂层材料的最主要性能指标是硬度和弹性模量，因而本文主要是围绕这两个性能进行优化工艺，并通过纳米压痕技术表征这两个性能；通过EDS检测涂层成分、XRD分析微观结构、SEM和HRTEM观察截面和微观组织。论文主要结果如下：（1）工艺参数对涂层性能的影响：采用直流反应溅射可获得沉积速率高、组织致密、性能优异的高质量涂层，所制备的涂层皆为c-CrN结构，Ar/N2气流比、气压和基片温度对涂层均有较大的影响。低的Ar/N2气流比有利于提高涂层中的N含量，使涂层力学性能提升，但过低的Ar/N2气流比使靶面形成氮化物而造成沉积速率和性能下降，当Ar/N2=1/1时所得涂层性能最好；总气压大小影响溅射粒子的数量和能量，在较低的气压下粒子能量较高，涂层致密，性能较好。随着气压的升高，力学性能下降，沉积速率呈先增大后减小的趋势；温度影响粒子的迁移能力，沉积温度过高导致晶粒长大，过低导致缺陷增多，二者均会引起性能的下降，因此只有在合适的沉积温度下才能获得性能优异的CrAlN层，结果表明当Ar/N2气流比为1、总气压为0.2Pa、温度为300℃时所得涂层性能最好，可得到最大硬度和弹性模量分别为34.8GPa和434.3GPa。（2）Al含量对涂层的影响：所制备的涂层皆为NaCl结构，Al含量在30%-60%时为c-CrN相，Al含量为70%时为c-CrN和c-AlN两相的混合物；随着Al含量的增加，晶格常数逐渐减小，而晶粒尺寸先减小后增大；在固溶强化、细晶强化和形成充分陶瓷相三个因素的作用下，CrAlN涂层硬度和弹性模量随Al含量的增加逐渐升高，而过量的Al会引起相变和N含量不足造成性能下降。Al含量为60%时获得最高硬度和弹性模量分别可达36.8GPa和459.5GPa，摩擦磨损性能最好，磨损机制为磨料磨损和微动磨损。CrAlN涂层在高载荷条件下表现出明显优越的摩擦磨损特性，涂层载荷承受能力明显提高。（3）制备了CrAlN/SiO2纳米多层涂层，并通过HRTEM图片观测到在NaCl结构的CrAlN模板作用下，非晶态的SiO2在厚度约小于0.7nm时转变为赝晶结构，与CrAlN呈共格外延生长，共格外延生长的界面因存在模量差强化的作用使硬度增加，并随SiO2厚度的增加而增大，在SiO2厚度为0.7nm时，硬度和弹性模量分别最大可达38.9GPa和417.7GPa，当SiO2厚度超过1nm时，出现SiO2非晶夹层，与CrAlN层的共格外延生长遭到破坏，硬度和弹性模量随之降低。（4）制备了一系列具有不同调制周期的CrAlN/AlON纳米多层涂层，并通过HRTEM图片观测到在NaCl结构的CrAlN模板作用下，非晶态的AlON在厚度约小于0.9nm时转变为赝晶结构，与CrAlN呈共格外延生长；XRD图谱表明纳米多层涂层没出现新的物相，在模量差强化的作用下，硬度有所提高。硬度随AlON厚度的增加而增大，在AlON厚度为0.9nm时，硬度和弹性模量达到最大，分别为32.8GPa和404GPa，CrAlN/AlON纳米多层虽然形成了共格界面，但因模量差不够大而未能明显增加硬度，当AlON厚度超过1nm时，AlON又变为非晶结构，与CrAlN层的共格外延生长遭到破坏，硬度和弹性模量随之降低。硬度随CrAlN层的减小而增大，增幅逐渐减缓，共格界面的增多也能小幅增加硬度，到1.9nm时已经基本上不再提高，此时为34.7GPa。弹性模量先升高后降低，在CrAlN厚度为5.7nm时达到最高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 引言
• §1.2 涂层分类
• §1.2.1 单层涂层
• §1.2.2 多层涂层
• §1.2.3 纳米技术涂层
• §1.3 CrAlN涂层的结构、性能与研究进展
• §1.3.1 CrAlN涂层的结构与性能
• §1.3.2 合金元素对CrAlN涂层性能的影响
• §1.3.3 CrAlN基纳米技术涂层
• §1.4 纳米多层致硬机理
• §1.4.1 模量差理论
• §1.4.2 共格应变理论
• §1.4.3 Hall-Petch理论
• §1.5 本课题的设计思想与研究内容
• 第二章 涂层的制备与表征
• §2.1 实验材料
• §2.2 涂层的制备
• §2.2.1 磁控溅射原理
• §2.2.2 磁控溅射镀膜设备
• §2.2.3 制备工艺
• §2.3 涂层表征与测试
• §2.3.1 X射线衍射（XRD）
• §2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）与能谱仪（EDS）
• §2.3.3 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）
• §2.3.4 硬度和弹性模量的测量
• §2.3.5 摩擦磨损机与自动划痕仪
• §2.4 小结
• 第三章 工艺参数对直流溅射沉积CrAlN涂层结构和性能的影响
• §3.1 引言
• §3.2 实验结果与讨论
• 2气流比对涂层的影响'>§3.2.1 Ar/N₂气流比对涂层的影响
• §3.2.2 气压对涂层的影响
• §3.2.3 温度对涂层的影响
• §3.3 小结
• 第四章 Al含量对CrAlN涂层微观结构和力学性能的影响
• §4.1 引言
• §4.2 实验结果与讨论
• §4.2.1 Al含量对涂层成分和组织结构的影响
• §4.2.2 Al含量对涂层硬度和弹性模量的影响
• §4.2.3 Al含量对涂层摩擦磨损性能的影响
• §4.3 小结
• 第五章 CrAlN/SiO2纳米多层涂层的微观结构和超硬效应研究
• §5.1 引言
• §5.2 实验结果与讨论
• §5.2.1 反应溅射的热力学分析
• §5.2.2 微观组织
• §5.2.3 力学性能
• §5.3 结论
• 第六章 CrAlN/AlON纳米多层涂层的微观结构和性能的研究
• §6.1 引言
• §6.2 实验结果与讨论
• §6.2.1 反应溅射的热力学分析
• §6.2.2 微观组织
• §6.2.3 力学性能
• §6.3 结论
• 第七章 结论与创新点
• §7.1 论文结论
• §7.2 论文创新点
• 符号表
• 参考文献
• 在读期间发表的论文和承担科研项目及取得成果
• 致谢