氮化物基智能納米結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜的設(shè)計及力學(xué)與摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、過渡族金屬氮化物以其優(yōu)異的力學(xué)及摩擦磨損性能，在諸如刀具涂層等領(lǐng)域占據(jù)著一席之地。對過渡族金屬氮化物的研究大多集中于ⅣB、ⅤB和ⅥB族這三族當(dāng)中，并向多元化、智能化等方向發(fā)展，以期能夠研發(fā)一種寬溫域條件下均具有低摩擦系數(shù)和低磨損率的多元智能薄膜，使其適應(yīng)諸如高效加工、高溫加工等領(lǐng)域日益嚴(yán)苛的服役需求。本文以ⅣB、ⅤB以及ⅥB族中的TiN、Nb-N和Mo-N薄膜為研究對象，以提升寬溫域條件下薄膜綜合自適應(yīng)性能為目標(biāo)，通過添加Si等元素提升

2、薄膜力學(xué)以及室溫摩擦磨損性能；并在此基礎(chǔ)上，引入Magnéli相代表元素Mo、V以及貴金屬元素Ag改良薄膜高溫摩擦磨損性能。旨在優(yōu)化現(xiàn)有薄膜設(shè)計準(zhǔn)則，研發(fā)一種寬溫域條件下均具有良好摩擦磨損性能的新型過渡族金屬氮化物體系。主要結(jié)果如下：
　　Al被引入三種不同族的氮化物薄膜中，制備了一系列不同 Al含量的Ti-Al-N、Nb-Al-N以及Mo-Al-N薄膜以期改善薄膜力學(xué)及摩擦磨損性能。對于ⅣB、ⅤB族中的Ti-Al-N、Nb-Al

3、-N薄膜，當(dāng)薄膜中Al含量低于50 at.％時，Al置換了氮化物晶格中的Ti或者Nb形成置換固溶體，由于固溶強化作用，薄膜力學(xué)性能得到提升；當(dāng)Al含量高于50 at.%時，薄膜出現(xiàn)具有較低硬度的六方(hcp)結(jié)構(gòu)AlN，力學(xué)性能逐漸降低。對于ⅥB族Mo-Al-N薄膜，薄膜具有面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)，由于固溶強化和晶粒粗化的相互作用，薄膜硬度隨Al含量升高先升高后降低，硬度最大值為33 GPa(Al含量3.7 at.%)。對于Ti-Al-

4、N、Nb-Al-N以及Mo-Al-N薄膜，一定含量的Al能夠提升薄膜抵抗塑性變形能力，減少磨痕表面裂紋數(shù)量，緩和摩擦副與磨痕之間的相互作用，使得薄膜室溫摩擦磨損性能得到提升。然而，由于在高溫環(huán)境中磨痕表面生成硬質(zhì)氧化鋁，加劇了摩擦副與磨痕之間的相互作用，薄膜高溫摩擦磨損性能沒有得到提升。Al在高溫環(huán)境下有向薄膜表層擴散趨勢，生成致密的Al2O3保護(hù)層，從而提升薄膜的高溫抗氧化性能。
　　選取元素 Si提升薄膜力學(xué)性能和室溫摩擦磨損

5、性能，在保證薄膜室溫摩擦磨損性能的基礎(chǔ)上，引入 Magnéli相代表元素 Mo、V制備 Ti-Mo-Si-N以及Nb-V-Si-N薄膜，提升寬溫域條件下薄膜綜合自適應(yīng)性能。Si的固溶能夠在一定程度上提升薄膜硬度、斷裂韌性以及室溫摩擦磨損性能。然而過高的Si含量會超出薄膜固溶極限，生成非晶Si3N4，使力學(xué)和摩擦磨損性能降低。Magnéli相元素置換了氮化物晶格中的Ti或者Nb形成置換固溶體，固溶強化能夠在一定程度上提升薄膜硬度。由于該類

6、元素能夠增加薄膜位錯釘扎，從而提高薄膜斷裂韌性，進(jìn)而提升薄膜的膜基結(jié)合力。在室溫以及高溫環(huán)境下，薄膜磨痕在摩擦副的作用下能夠與環(huán)境中的氧以及水汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有較高離子電勢的潤滑氧化物，從而降低薄膜的平均摩擦系數(shù)。然而，該類氧化物大多具有層狀結(jié)構(gòu)，具有多個滑移系，在摩擦磨損試驗過程中易于被摩擦副磨損，所以Magnéli相元素在室溫以及高溫環(huán)境下能夠有效的減磨，但是耐磨性能不佳。
　　為改良薄膜寬溫域下摩擦磨損性能，將貴金屬A

7、g引入氮化物薄膜中，研究了Ag對薄膜微觀組織以及摩擦磨損特別是寬溫域范圍內(nèi)摩擦磨損性能的影響。利用第一原理計算以及摩爾反應(yīng)焓等理論，討論了Ag在氮化物薄膜中的形成機理。由于過渡族金屬與 N具有較高的化學(xué)親和性，過渡族金屬氮化物會在襯底的缺陷處率先形核，并以柱狀晶形式長大，隨后Ag在TiN柱狀晶缺陷處形核，最終在宏觀上呈現(xiàn)出Ag以納米晶鑲嵌在金屬氮化物柱狀晶邊界處的微觀結(jié)構(gòu)。由于Ag具有優(yōu)異的潤滑性能，含Ag氮化物薄膜，特別是高Ag含量的