合金元素Si和Al對(duì)CrN薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響.pdf

1、氮化鉻薄膜具有摩擦系數(shù)低，熱穩(wěn)定性高，耐腐蝕性能佳等優(yōu)點(diǎn)，是頗具潛力的表面保護(hù)涂層材料。然而，CrN薄膜硬度較低，是限制其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的首要因素。為進(jìn)一步提高CrN薄膜的性能，本文采用閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射方法，分別添加合金元素Si和Al形成CrSiN和CrAlN薄膜，采用X光電子能譜(XPS)研究了薄膜表面成分與化學(xué)鍵狀態(tài)，通過(guò)X射線衍射(XRD)、聚焦離子束(FIB)和透射電鏡(TEM)研究了薄膜的微觀組織結(jié)構(gòu)，使用納米壓痕儀測(cè)量

2、了薄膜的殘余應(yīng)力和力學(xué)性能，并結(jié)合聚焦離子束和納米壓痕儀探索了兩種薄膜的變形機(jī)制，系統(tǒng)的研究了薄膜的成分與微觀組織結(jié)構(gòu)、變形機(jī)制、力學(xué)性能等因素之間的聯(lián)系，并進(jìn)一步探索了超硬CrAlN薄膜的硬化機(jī)理。
　　 硅合金化對(duì)CrSiN薄膜組織與性能的影響研究表明，隨著硅含量增加，薄膜組織結(jié)構(gòu)趨于致密。當(dāng)硅含量較小的情況下，薄膜保持柱狀結(jié)構(gòu)，晶界處出現(xiàn)Si3N4非晶。硅含量進(jìn)一步增加時(shí)，形成納米CrN晶分布于非晶Si3N4基體上。隨著硅

3、含量增加，薄膜內(nèi)部殘余應(yīng)力先增大后降低，薄膜硬度也先增大后降低。當(dāng)硅含量較小時(shí)，薄膜通過(guò)晶粒間的剪切滑動(dòng)發(fā)生變形，在這種變形機(jī)理控制下，薄膜的硬度增加到35.8 GPa。當(dāng)硅含量進(jìn)一步增加，大量非晶Si3N4出現(xiàn)引起薄膜脆化，使得硬度下降。
　　 鋁合金化對(duì)CrAlN薄膜組織與性能的影響研究發(fā)現(xiàn)，CrAlN薄膜隨著鋁含量的增加，薄膜一直呈現(xiàn)CrN單相，薄膜擇優(yōu)取向由(200)逐漸轉(zhuǎn)向(111)和(220)。CrN的晶粒尺寸達(dá)到納

4、米級(jí)，但宏觀上保持著柱狀晶，當(dāng)鋁含量增加到一定量時(shí)，會(huì)形成非晶AlN包裹CrN晶的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。隨著鋁含量增加，CrAlN薄膜內(nèi)部的殘余應(yīng)力從2.5 GPa上升到3.8 GPa，同時(shí)薄膜的硬度明顯上升，達(dá)到42.5 GPa，實(shí)現(xiàn)超硬度，同時(shí)保持著良好的韌性。CrAlN薄膜變形以柱間剪切滑動(dòng)為主。隨著Al含量增高，薄膜變形過(guò)程中易在薄膜與基體的界面形成徑向裂紋。
　　 結(jié)合CrAlN的柱間剪切滑動(dòng)的變形機(jī)制，進(jìn)一步討論了CrAlN