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zrn基薄膜的构筑及其力学、摩擦学及耐腐蚀性能研究

ZrN基薄膜的构筑及其力学、摩擦学及耐腐蚀性能研究

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作者：宋啟尧烟台大学

学位级别：硕士

过渡金属氮化物（TMN）可以广泛用作精密零件的保护涂层,提高其关键性能特性对于使其在恶劣环境中更坚固耐用至关重要。高性能TMN需要建立结构-性能关系,而结构调制是优化其性能的有效方法。硬质氮化锆（zrn）是一种TMN,作为一种重要的... 详细信息

过渡金属氮化物（TMN）可以广泛用作精密零件的保护涂层,提高其关键性能特性对于使其在恶劣环境中更坚固耐用至关重要。高性能TMN需要建立结构-性能关系,而结构调制是优化其性能的有效方法。硬质氮化锆（zrn）是一种TMN,作为一种重要的表面防护材料,因其优异的机械性能和化学稳定性,广泛应用于汽车制造和模具制造等多种高磨损、高强度等复杂工况环境。然而,由于航空、海洋和其他综合军事技术的快速发展,单一的zrn薄膜的应用场景受到了相当大的限制。因此,设计提高其力学性能、摩擦学性能、耐腐蚀性能是提高其可靠性和耐久性的必要条件。本文通过磁控溅射法制备不同Y含量的Zr-Y-N薄膜,并探究微量Y对zrn薄膜微观结构的影响,进而讨论微观结构与力学、摩擦学及耐腐蚀性能间的联系。在成功制备Zr-Y-N纳米固溶薄膜基础上掺入不同含量Ag,构建具有优秀综合性能的Zr-Y-Ag-N薄膜。通过调控不同Ag含量,构筑Zr-Y-Ag-N薄膜,对其微观结构、力学性能、摩擦学性能及耐腐蚀性能进行测试,并揭示了薄膜的强韧化机制、摩擦学机理和耐腐蚀机理。研究结果如下:（1）X射线衍射分析表明当Y含量为1.9 at.%时,Y原子取代zrn中的Zr原子形成Zr-Y-N纳米固溶薄膜。然而,当Y含量增加到3.1 at.%时,Y原子从zrn晶格中析出,形成了zrn/Y纳米复合膜。力学性能测试证实,Zr-Y-N纳米固溶薄膜呈现出最高的硬度（H）为29.0 GPa,弹性模量（E）为378.7 GPa,比纯zrn薄膜硬度提高40.1%。摩擦学测试结果表明,在润滑油PAO4条件下,由于Zr-Y-N纳米固溶薄膜磨损表面的YO和Zr O润滑相的协同作用,将摩擦系数降低到0.019。磨损体积和磨损轨迹的三维形貌（3D）测试结果表明,获得较低的磨损率为6.60×10mm/（Nm）。经过多次数的电化学测试,结果为Zr-Y-N纳米固溶薄膜腐蚀电流为1.71×10 A/cm远低于zrn薄膜的1.05×10 A/cm,表现出优秀的耐腐蚀性能,这证明Y元素可以通过细化晶粒,提供致密的结构以提高zrn的耐腐蚀性。（2）微量Ag原子成功掺入Zr-Y-N纳米固溶薄膜,当原子比Ag/Y=1时,Ag原子进入Zr-Y-N晶格形成间隙固溶。当原子比Ag/Y=2时,过量的Ag团簇从晶格中析出,XRD、HRTEM、SEM等结果证实了这一点。当原子比Ag/Y=1时,Zr-Y-Ag-N薄膜的H和E分别为30.3 GPa和379.6 GPa,获得最优异的力学性能。由于固溶强化,实现了晶粒细化和致密结构,因此进一步提高了Zr-Y-N薄膜的力学性能。在3.5 wt.%Na Cl溶液的长期磨损条件下,原子比Ag/Y=1的薄膜具有4.61×10mm/（Nm）的最小磨损率,X射线光电子能谱分析原位形成的YZrO、Zr O、AgO和YO润滑相间的协同作用将摩擦系数降低到0.077。根据阻抗谱和极化曲线,Zr-Y-Ag-N薄膜的腐蚀电流达到最低的6.66×10 A/cm。由于Ag原子的加入,使Zr YN薄膜的微观结构和疏水性均发生了显著变化,从而进一步提高了其耐腐蚀性能。

关键词： zrn基薄膜磁控溅射微观结构力学性能摩擦学性能耐腐蚀性能

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