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分析word格式论文.docxVIP

声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：年月日摘要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。关键词：磁控溅射CrAlN涂层工艺参数Al含量纳米多层涂层机械性能模板效应超硬效应ABSTRACTTheCrAlNcoatingsareraisingawidelyinterestingbyitsexcellentproperties, suchasmechanicalproperties,hightemperatuteroxideresistance.There