硬質納米多層膜的微結構與超硬效應.pdf

1、以TiN為代表的陶瓷硬質薄膜在包括切削工具涂層在內的表面改性和防護領域得到廣泛應用。制造業(yè)中高速切削和干式切削等先進技術的發(fā)展對刀具提出了更高的要求，需要作為刀具涂層的薄膜材料不僅具有更高的硬度，還應具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性。納米多層膜因超硬效應具有高硬度，特別是它們材料組合的多樣性而獲得的性能可剪裁性展示了在刀具涂層上的廣闊應用前景。而這類材料通過人工微結構設計獲得高硬度的強化機制更具理論研究價值。然而，目前尚不能僅從理論上設計出具有超硬

2、效應的納米多層膜，實驗探索仍是獲得高硬度納米多層膜的主要研究方法。 本論文采用磁控濺射技術制備了VN/SiO2、VN/AlON、ZrO2/TiN和TiAlN/Si3N4等體系的納米多層膜，采用XRD、TEM、EDX、SEM和微力學探針等先進測試方法表征了薄膜的微結構和力學性能。研究了通過濺射方法獲得含氧化物納米多層膜的制備技術；研究了納米多層膜中不同晶體結構模板層對另一調制層晶體生長作用的模板效應；研究了納米多層膜的高溫穩(wěn)定性；

3、討論了納米多層膜的超硬機制。并基于所得研究結果對現(xiàn)有高硬度納米多層膜的設計準則提出了修正和補充。 論文的主要研究結果如下： 1.對VN/SiO2和VN/AlON納米多層膜的研究表明，采用金屬靶和氧化物陶瓷靶，通過在Ar-N2混合氣氛中反應濺射的方法可以高效率地沉積具有高硬度的含氧化物納米多層膜。在VN/SiO2和VN/AlON納米多層膜中，由于NaCl結構VN層晶體結構的模板效應，通常濺射態(tài)為非晶的SiO2或AlON層在

4、其厚度小于約1nm時能夠晶化，并與VN層共格外延生長，從而使多層膜的硬度得到明顯提高，最高硬度分別達到34GPa和30Gpa;隨著自身厚度的進一步增加，SiO2或AlON層逐漸轉變?yōu)橐苑蔷B(tài)生長，阻斷了納米多層膜的共格外延生長，多層膜的硬度隨之降低。而模板層VN的厚度改變對納米多層膜的生長結構和力學性能影響相對較小。 2.對ZrO2/TiN納米多層膜的研究表明，與立方結構的氮化物一樣，四方結構的ZrO2也呈現(xiàn)出影響另一沉積層(T

5、iN)晶體生長的模板效應，在此效應下，通常僅以立方結構存在的TiN在層厚小于1.8nm時被強制改變其晶體結構，形成與ZrO2相同的亞穩(wěn)態(tài)四方晶體結構，并與ZrO2共格外延生長。隨TiN層厚的增加，ZrO2晶體層對TiN贗晶生長的模板效應逐漸減弱，TiN又以其穩(wěn)定的NaCl結構生長，多層膜的共格外延生長結構遭到破壞，形成了四方結構ZrO2和立方結構TiN交替生長的非共格納米多層結構。ZrO2/TiN納米多層膜沒有顯示出硬度明顯升高的超硬效

6、應，其原因與多層膜中的共格應變使得兩調制層材料模量差異的減小有關。 3.在TiAlN/Si3N4納米多層膜中，由于TiAlN層晶體結構的模板作用，濺射態(tài)為非晶的Si3N4在厚度小于0.6nm時被晶化，并與TiAlN層形成共格外延生長，多層膜產生硬度高達52GPa的超硬效應。隨著層厚的增加，Si3N4轉變?yōu)橐苑蔷B(tài)生長，多層膜的硬度也隨之降低。高溫穩(wěn)定性研究表明，該體系納米多層膜具有良好的高溫結構穩(wěn)定性，即使在900℃的溫度，多層

7、膜仍能保持其晶體結構和調制結構的穩(wěn)定，其硬度也依然明顯高于TiAlN單層膜。但多層膜的抗氧化性并沒有相對于TiAlN單層膜得到明顯提高。 4.論文的研究發(fā)現(xiàn)，兩調制層形成共格結構是納米多層膜獲得超硬效應的必要條件。模量差強化是納米多層膜獲得超硬效應的主要機制，但應考慮各調制層模量在共格生長形成的交變應力場作用下的改變?；谶@一研究結果，論文對現(xiàn)有高硬度納米多層膜的設計準則提出了修正和補充： 1)兩調制層應形成共格外延生長

8、。 兩調制層形成共格界面是納米多層膜產生超硬效應的必要條件，但多層膜在材料組合上并不僅限于晶格參數相近的兩種材料，借助于納米多層膜晶體生長的模板效應，兩種結構類型不同的晶體材料、甚至其中一種為非晶的材料也可形成產生超硬效應所必須的共格界面結構； 2)調制層在形成共格結構后材料的模量差應盡可能大。 共格生長的兩調制層存在模量差是納米多層膜獲得超硬效應的主要原因，但是，對于各調制層的模量，應是納米多層膜形成共格結構后