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探讨热点。本论文选择直流反应磁控溅射工艺，探讨了工艺参数、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升硬度和抗氧化性能的技术路线，进一步探讨制备CrAlN/SiO_2和CrAlN/AlON的工艺，浅析测试了其微观结构和力学性能，并论述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，因而本论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浅析微观结构、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：采取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/N_2气流比、气压和基片温度对涂层均有较大的影响。低的Ar/N_2气流比有利于提升涂层中的N含量，使涂层力学性能提升，但过低的Ar/N_2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/N_2=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走势；温度影响粒子的迁移能力，沉积温度过高导致晶粒长大，过低导致缺陷增加，二者均会引起性能的下降，由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/N_2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体现出显著优越的摩擦磨损特性，涂层载荷承受能力显著提升。(3)制备了CrAlN/SiO_2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SiO_2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有着模量差强化的作用使硬度增加，并随SiO_2厚度的增加而增大，在SiO_2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SiO_2厚度超过1nm时，出现SiO_2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，硬度有所提升。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显著增加硬度，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，共格界面的增加也能小幅增加硬度，到1.9nm时已经基本上不再提升，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：磁控溅射论文CrAlN涂层论文工艺参数论文Al含量论文纳米多层涂层论文机械性能论文模板效应论文超硬效应论文
摘要6-8
ABSTRACT8-13
第一章 绪论13-25
§1.1 引言13
§1.2 涂层分类13-16
§1.2.1 单层涂层14
§1.2.2 多层涂层14
§1.2.3 纳米技术涂层14-16
§1.3 CrAlN涂层的结构、性能与探讨进展16-22
§1.3.1 CrAlN涂层的结构与性能17-19
§1.3.2 合金元素对CrAlN涂层性能的影响19-20
§1.3.3 CrAlN基纳米技术涂层20-22
§1.4 纳米多层致硬机理22-24
§1.4.1 模量差论述22-23
§1.4.2 共格应变论述23
§1.4.3 Hall-Petch论述23-24
§1.5 本课题的设计思想与探讨内容24-25
第二章 涂层的制备与表征25-35
§2.1 实验材料25
§2.2 涂层的制备25-30
§2.2.1 磁控溅射原理25-27
§2.2.2 磁控溅射镀膜设备27
§2.2.3 制备工艺27-30
§2.3 涂层表征与测试30-34
§2.3.1 X射线衍射(XRD)30
§2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)与能谱仪(EDS)30-31
§2.3.3 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)31
§2.3.4 硬度和弹性模量的测量31-34
§2.3.5 摩擦磨损机与自动划痕仪34
§2.4 小结34-35
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35-43
§3.1 引言35
§3.2 实验结果与讨论35-42
§3.2.1 Ar/N_2气流比对涂层的影响35-38
§3.2.2 气压对涂层的影响38-41
§3.2.3 温度对涂层的影响41-42
§3.3 小结42-43
第四章 Al含量对CrAlN涂层微观结构和力学性能的影响43-50
§4.1 引言43
§4.2 实验结果与讨论43-49
§4.2.1 Al含量对涂层成分和组织结构的影响43-46
§4.2.2 Al含量对涂层硬度和弹性模量的影响46-47
§4.2.3 Al含量对涂层摩擦磨损性能的影响47-49
§4.3 小结49-50
第五章 CrAlN/SiO2纳米多层涂层的微观结构和超硬效应探讨50-59
§5.1 引言50-51
§5.2 实验结果与讨论51-58
§5.2.1 反应溅射的热力学浅析51-52
§5.2.2 微观组织52-55
§5.2.3 力学性能55-58
§5.3 结论58-59
第六章 CrAlN/AlON纳米多层涂层的微观结构和性能的探讨59-66
§6.1 引言59
§6.2 实验结果与讨论59-65
§6.2.1 反应溅射的热力学浅析59-60
§6.2.2 微观组织60-63
§6.2.3 力学性能63-65
§6.3 结论65-66
第七章 结论与革新点66-68
§7.1 论文结论66-67
§7.2 论新点67-68
符号表68-69
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