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中国陶瓷 2018年第12期54卷 7-14页

作者：张而耕何澄陈强上海应用技术大学机械工程学院上海201418 上海应用技术大学工程创新学院上海201418

多元涂层由于其优异的物理、化学性能被广泛的应用于汽车零部件、航空航天等领域。其中四元涂层CrAlsiN具有比传统CrAlN更高的硬度、优异的耐高温氧化性而受到人们的广泛关注。介绍了目前CrAlsiN涂层的主流制备方法,并概括了si元素掺杂... 详细信息

多元涂层由于其优异的物理、化学性能被广泛的应用于汽车零部件、航空航天等领域。其中四元涂层CrAlsiN具有比传统CrAlN更高的硬度、优异的耐高温氧化性而受到人们的广泛关注。介绍了目前CrAlsiN涂层的主流制备方法,并概括了si元素掺杂对CrAlsiN涂层组织结构、力学性能的影响,以及产生上述影响的作用机理。此外,对比分析了单层CrAlsiN与多层复合CrAlsiN涂层的性能特点,及其对刀具切削性能的影响。对CrAlsiN涂层的多层化、复合化进行了展望,提出多元素掺杂涂层研究的必要性,以及持续开发新型涂层制备工艺的迫切性。发挥多层复合层间结构协同作用是未来涂层研究的主要方向。

关键词： CrAlsiN si元素掺杂组织结构力学性能复合涂层

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B/si元素对（AlTiCrNbY）N薄膜力学性能强化研究

B/Si元素对（AlTiCrNbY）N薄膜力学性能强化研究

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作者：张成林西安工业大学

学位级别：硕士

刀具涂层的硬度、耐磨性等极大程度影响着刀具的切削性能,传统刀具涂层多为二元氮化物与三元氮化物涂层,其性能已无法满足日渐严苛的使用工况。因此,制备出高硬度、高耐磨性能和优异抗氧化性能的新型涂层是刀具涂层的重要研究方向。高... 详细信息

刀具涂层的硬度、耐磨性等极大程度影响着刀具的切削性能,传统刀具涂层多为二元氮化物与三元氮化物涂层,其性能已无法满足日渐严苛的使用工况。因此,制备出高硬度、高耐磨性能和优异抗氧化性能的新型涂层是刀具涂层的重要研究方向。高熵合金薄膜因其优异的综合性能,在刀具涂层领域具有广泛的应用前景。本论文设计了AlTiCrNbY高熵合金成分,通过反应磁控溅射技术在单晶硅片与M2高速钢上制备（AlTiCrNbY）N高熵合金薄膜;通过正交实验法分析了各个工艺对薄膜结构与力学性能的影响规律,采用灰关联度分析法确定了（AlTiCrNbY）N薄膜的最佳工艺参数。为了进一步提高薄膜的综合性能,使用双靶磁控溅射技术在（AlTiCrNbY）N薄膜中分别引入B、si元素,通过对薄膜的组织与结构检测,对硬度与弹性模量、摩擦磨损性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能进行表征,系统研究了B/si元素含量变化对薄膜结构与性能的影响。具体研究内容如下:（1）使用真空电弧熔炼炉制备了AlTiCrNbY高熵合金靶材,靶材结构以BCC相为主,同时包含多种金属间化合物。通过正交实验分析各工艺对（AlTiCrNbY）N薄膜的影响,其中氩氮气流量比对膜层厚度影响最大;偏置电压对硬度与弹性模量、摩擦系数影响最大;确定薄膜制备的最佳工艺参数:靶材溅射功率为175 W,基底偏压为-200 V,基底温度为300℃,Ar:N2=7:1,此时薄膜硬度与弹性模量分别是45.25 GPa与313.56 GPa,X射线光电子能谱测试结果显示,靶材元素均与N元素结合形成金属氮化物,这是薄膜具有超高硬度的主要原因。（2）使用双靶磁控溅射技术,通过调节B靶功率（0 W,25 W,50 W,75 W）将B元素引入（AlTiCrNbY）N薄膜。结果表明,随着B靶功率增加,薄膜中B元素含量分别为0、6.45 at.%、7.83 at.%和10.75 at.%,B元素引入后出现非晶结构且随B含量增加而增多。薄膜厚度随B靶功率增加而增加,分别为803.9 nm、971.4 nm、949.0 nm和993.7 nm;膜层表面光滑平整且团簇颗粒尺寸减小,沿截面方向生长致密,表面粗糙度减小;X射线光电子能谱分析结果显示,B元素在薄膜中以Al B2、Ti B2、Cr B2与氮化硼的形式存在。薄膜硬度与弹性模量随B元素含量增加呈现先增加后降低的趋势,在B靶功率为25 W时达到最大值,分别为47.58 GPa与322.53 GPa;硬度提升的原因主要是B元素导致晶粒细化以及氮化硼的产生,随B元素含量持续增多,非晶含量过多导致硬度下降。B元素引入后薄膜摩擦学性能下降;薄膜断裂韧性与耐腐蚀性能随B元素含量增加更加优异;当B靶功率为25 W时薄膜的抗氧化性能最佳。（3）使用双靶磁控溅射技术,通过调节不同si靶功率（0 W,25 W,50 W,75 W）将si元素引入（AlTiCrNbY）N薄膜。随si靶功率增加,薄膜中si元素含量分别为0 at.%、5.9at.%、11.32 at.%和15.62 at.%,si元素引入后薄膜出现非晶结构,随si含量增多非晶逐渐增多,BCC（110）与FCC（220）晶面衍射峰先降低后增大,在si靶功率为75 W时非晶含量减少;薄膜厚度增加明显,分别为803.9 nm、1050.0 nm、1284.0 nm和1630 nm;致密度随si含量增多提升;同时薄膜团簇颗粒尺寸变小,表面粗糙度降低;X射线光电子能谱分析显示薄膜中si元素以si Nx和si3N4的形式存在;硬度与弹性模量随si元素含量增加呈现先增加后降低的趋势,在si靶功率为25 W时达到最大值,分别为49.77 GPa和348.65GPa;si元素引入有利于提升薄膜的断裂韧性;si靶功率为25 W时薄膜耐磨损性能最佳,同时薄膜表现出最优的高温抗氧化性,氧化后表面出现富集Cr、si与O元素的保护性氧化层;同时si元素含量越高,薄膜耐腐蚀性能增强,这是由si元素增加薄膜致密度增加导致。本文基于磁控溅射法制备了（AlTiCrNbY）N薄膜,对磁控溅射工艺进行优化,获得具有最佳硬度与弹性模量的制备工艺,在此基础上使用双靶磁控溅射分别引入B、si元素进一步优化其力学性能;B元素掺杂的（AlTiCrNbY）N薄膜最佳硬度与弹性模量为47.58GPa与322.53GPa,si元素掺杂的（AlTiCrNbY）N薄膜最佳硬度与弹性模量为49.77GPa和348.65GPa,硬度值较传统刀具涂层提升明显,能够满足更大范围的切削要求,可作为刀具涂层的主要候选材料。

关键词：磁控溅射高熵合金氮化物薄膜 B元素掺杂 si元素掺杂

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