交替偏压工艺与ZrNi合金化对CrN薄膜结构及性能影响的多维度探究.docxVIP

交替偏压工艺与ZrNi合金化对CrN薄膜结构及性能影响的多维度探究

一、引言

1.1研究背景与目的

在材料科学的不断发展进程中，金属氮化物陶瓷薄膜作为典型的硬质薄膜材料，凭借其高硬度、高耐磨性、良好的化学稳定性以及绚丽的色彩，在切削和成型工具表面改性等众多领域展现出了卓越的应用价值。其中，CrN系薄膜相较于较早商业化应用的TiN系薄膜材料，具有更为突出的优势，如更强的抗磨、减磨性，优异的耐腐蚀性，出色的高温稳定性以及可形成厚膜的特点，使其被广泛认为极有潜力在诸多应用场景中取代TiN系薄膜，在现代制造业中，CrN薄膜被大量应用于刀具涂层，显著提升刀具的切削性能和使用寿命，在模具表面涂覆CrN薄膜，能有效增强模具的耐磨性和脱模性能，提高生产效率和产品质量。

尽管CrN薄膜展现出了巨大的应用潜力，但目前仍存在一些关键问题限制着其更广泛的应用。一方面，CrN薄膜的硬度相对偏低，在面对一些高负荷、高磨损的工作环境时，难以满足长期稳定运行的需求。在高速切削加工中，刀具表面的CrN薄膜可能会因受到过高的切削力和摩擦力而快速磨损，降低刀具的使用寿命和加工精度。另一方面，虽然CrN薄膜本身具有优越的抗腐蚀性能，但膜基体系在实际使用过程中易发生电化学腐蚀破坏。当CrN薄膜与金属基体结合时，由于两者的电化学性质存在差异，在腐蚀介质中容易形成腐蚀电池，导致膜基界面处发生腐蚀，进而影响整个涂层体系的性能和稳定性。

为了有针对性地解决上述两个关键问题，本研究从工艺和成分两个关键角度出发，对CrN薄膜的结构和性能进行深入探究和优化。在工艺方面，采用交替偏压工艺，通过周期性地改变基底偏压，期望能够精确调控薄膜的生长过程，改善薄膜的组织结构，从而提升薄膜的硬度和抗腐蚀性能。在成分方面，引入Zr和Ni元素进行合金化处理，通过改变薄膜的化学成分，形成CrZrN和CrNiN薄膜，利用合金元素的协同作用，进一步优化薄膜的结构和性能，以期获得更高的硬度和更优异的抗腐蚀性能。通过本研究，旨在为CrN薄膜的性能优化和实际应用提供新的理论依据和技术支持，推动CrN薄膜在更多领域的广泛应用和发展。

1.2国内外研究现状

在交替偏压工艺对CrN薄膜结构与性能影响的研究方面，国内外学者已开展了一系列有价值的工作。吴忠振等人提出了高功率脉冲磁控放电等离子体离子注入与沉积技术（HPPMS-PIID），并采用该技术在不锈钢基体上制备CrN薄膜，对比研究了无偏压、–100V直流偏压和–15kV脉冲偏压下CrN薄膜形貌、结构、成分及性能的变化，发现负高压脉冲使薄膜沉积速率大幅提高，且薄膜表面平整、晶粒排列致密，呈不连续的柱状晶生长，CrN(200)相择优取向明显，薄膜结合力高达57.7N。在国内，李明升等人通过非对称双极脉冲磁控溅射沉积氮化铬铝涂层，研究了偏压对涂层微观结构和硬度的影响，发现不同的偏压模式会导致涂层的晶体结构和晶粒尺寸发生变化，进而影响涂层的硬度。国外学者也关注到偏压对薄膜性能的影响，如在一些研究中发现，通过调整偏压可以改变薄膜的应力状态，从而影响薄膜的附着力和耐久性。

关于ZrNi合金化对CrN薄膜结构与性能的影响，同样有不少研究成果。在Zr合金化方面，有研究表明Zr元素主要以固溶的方式存在于CrN薄膜中，不同的Zr含量及偏压条件下，CrZrN薄膜的硬度和抗腐蚀性能会发生显著变化。当Zr含量约为16at.％时，薄膜具有最小的腐蚀电流密度和孔隙率，分别为3.3×10??A/cm2和0.009％，在氮流量比为0.8时达到最大硬度值约3310HV。在Ni合金化方面，少量Ni（8.8at.％）的加入可以提高CrN薄膜的硬度，由原来的2393HV提高至2497HV，但当Ni元素含量从8.8at.％提高至39.1at.％时，膜层结构虽趋于致密化，硬度却显著下降。

尽管上述研究取得了一定成果，但仍存在一些不足之处。在交替偏压工艺研究中，多数研究集中在特定的偏压模式和参数下，对于不同偏压模式之间的协同作用以及偏压参数的优化组合研究较少，缺乏对交替偏压工艺全面系统的理解。不同偏压模式对薄膜生长过程中原子迁移、结晶取向的影响机制尚未完全明确，这限制了通过偏压工艺精确调控薄膜结构和性能的能力。在ZrNi合金化研究方面，虽然对Zr、Ni元素单独合金化时对CrN薄膜结构与性能的影响有了一定认识，但对于Zr和Ni同时合金化时的协同效应研究较少，难以充分发挥两种元素的优势来实现CrN薄膜性能的最大化提升。对于合金化过程中元素分布、相结构演变与薄膜性能之间的内在联系，还需要更深入的研究来揭示