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作者：周明玲南京航空航天大学

学位级别：硕士

为了避免涂层发生破碎而加剧其磨损,本文提出通过韧性金属Ni/Cu掺杂改性crbn涂层,旨在提高crbn涂层塑性、韧性和抵抗裂纹的能力。在45钢和单晶Si(100)片基底上分别沉积了不同Ni含量的Ni/crbn纳米复合涂层、不同Cu含量的Cu/crbn纳米复合... 详细信息

为了避免涂层发生破碎而加剧其磨损,本文提出通过韧性金属Ni/Cu掺杂改性crbn涂层,旨在提高crbn涂层塑性、韧性和抵抗裂纹的能力。在45钢和单晶Si(100)片基底上分别沉积了不同Ni含量的Ni/crbn纳米复合涂层、不同Cu含量的Cu/crbn纳米复合涂层以及不同Ni/Cu比例的Ni-Cu/crbn纳米复合涂层。利用动态超显微硬度仪评价Ni/Cu掺杂crbn涂层的硬度、弹性模量、塑性和韧性。涂层的压痕形貌利用扫描电子显微镜(SEM)拍摄,并通过透射电子显微镜(TEM)对三种涂层的微观结构进一步观察。同时利用有限元软件(ABAQUS)模拟Ni/Cu掺杂crbn涂层的纳米压痕实验过程,重点探究在大载荷以及重复循环加载下,Ni/Cu掺杂crbn涂层的应力分布、塑性变形以及裂纹情况,比较和分析数值模拟仿真与实验结果以揭示金属Ni/Cu掺杂的作用机理。主要的结论如下:1)Ni/crbn涂层由Cr N晶体、非晶BN和非晶单质Ni构成。Ni作为一种软金属被掺杂至crbn涂层中后,涂层的硬度和弹性模量均下降,但是塑性变形能力逐渐增强。低Ni含量下(≤12.54 at.%)的Ni/crbn涂层在塑性变形能力提升的同时依旧保持30 GPa以上的硬度。在大压深加载下,高Ni(12.62～19.62 at.%)含量掺杂增强了crbn涂层的韧塑性,所以涂层可以有效抵抗环形裂纹的产生。结合有限元仿真分析可知,影响涂层抗环形裂纹能力主要有三个因素:(1)下沉程度;(2)最大主拉应力分布;(3)塑性变形能力。在循环应力加载下,Ni掺杂量最多的Ni-2.0/crbn涂层(19.62 at.%)在每次循环时的最大压深以及增长率最大,而下沉程度最低以及等效塑性变形最大使得其抵抗环形裂纹的能力最强。2)Cu/crbn涂层是由Cr N晶体与非晶BN基质、非晶Cu构成的纳米复合结构。Cu的掺杂导致了crbn涂层硬度和弹性模量下降,而塑性变形能力提升。由于Cu比Ni的硬度更低,在Ni和Cu掺杂量相近的情况下,Cu/crbn涂层的硬度下降速率和塑性变形上升速率比Ni/crbn涂层快;在大压深以及循环应力加载下,Cu/crbn涂层/基底体系比Ni/crbn涂层/基底体系内部应力分布更均匀,应变更连续。尤其是高Cu(≥16.05 at.%)含量掺杂的Cu-1.6/crbn和Cu-2.0/crbn涂层,其下沉程度更弱,等效塑性变形更大,抵抗环形裂纹能力更强。3)Ni和Cu共掺杂并没有诱发新晶体生成,二者均以非晶单质形式存在,Ni-Cu/crbn涂层显示出由Cr N晶体和非晶基质组成的纳米复合结构。在低Cu含量(≤7.77 at.%)下,涂层的非晶基质主要包括BN、CrB、Ni和Cu。而在高Cu含量(≥10.69 at.%)下,非晶基质主要包括BN、Ni和Cu。结合有限元仿真分析可知,随着Ni含量的减小和Cu含量的增加,Ni-Cu/crbn涂层硬度、弹性模量和屈服应力减小,等效塑性变形增大,其力学性能与45钢基底之间的差异逐渐缩小。因此,在大压深以及循环应力加载下,高Cu(≥15.05 at.%)含量掺杂的Ni-Cu/crbn涂层可以有效抵抗环形裂纹的产生,增强涂层的韧塑性。

关键词： crbn涂层 Ni掺杂 Cu掺杂韧性最大主应力等效塑性变形

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Ni/Cu共掺crbn涂层的韧性评价及压痕有限元仿真研究

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材料保护 2022年第2期55卷 15-21页

作者：周明玲王谦之南京航空航天大学机电学院江苏南京210016

为了研究金属Ni和Cu共掺对crbn涂层韧性的影响,采用闭场式非平衡磁控溅射法制备了不同Ni/Cu比例的Ni-Cu-crbn涂层。利用透射电子显微镜(TEM)对涂层的结构进行了分析,表明涂层是由CrN晶体和非晶基质组成的纳米复合结构。随着Ni含量的减... 详细信息

为了研究金属Ni和Cu共掺对crbn涂层韧性的影响,采用闭场式非平衡磁控溅射法制备了不同Ni/Cu比例的Ni-Cu-crbn涂层。利用透射电子显微镜(TEM)对涂层的结构进行了分析,表明涂层是由CrN晶体和非晶基质组成的纳米复合结构。随着Ni含量的减少以及Cu含量的增加,crbn涂层的硬度(H)从24.6 GPa下降到12.1 GPa,但塑性变形能力(D_(p))以及抗环形裂纹能力有所增强。结合有限元模拟(FEM)分析,涂层抗环形裂纹能力的提高有3个原因:第1个最主要的原因是由于涂层和基体之间的性能差异减小,压痕下沉程度减弱;第2个原因是拉应力的分布逐渐均匀;第3个原因是随着Cu含量的不断增加提高了涂层的塑性变形能力。以上结果表明,涂层与基体间的力学性能相近,可以更加有效地抵抗环形裂纹的产生。

关键词： crbn涂层 Ni/Cu共掺磁控溅射有限元模拟塑性韧性

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