【摘 要】
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随着切削业、模具工业、机械制造及航空航天等领域开始广泛应用硬质涂层,对其综合力学性能的要求也日益提高,硬质涂层的增韧研究成为其中的关键之一。在制造行业,在切削刀具涂覆硬质涂层能提高其综合性能,使其的使用寿命延长二到三倍,不仅节约了成本还提高了效率。相比Ti N涂层,ZrN涂层综合性能更佳,比如其更高的硬度和更低的耐摩擦系数。然而,ZrN陶瓷涂层裂纹扩展抵抗力较低,在较高的载荷下容易发生灾难性的破坏
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随着切削业、模具工业、机械制造及航空航天等领域开始广泛应用硬质涂层,对其综合力学性能的要求也日益提高,硬质涂层的增韧研究成为其中的关键之一。在制造行业,在切削刀具涂覆硬质涂层能提高其综合性能,使其的使用寿命延长二到三倍,不仅节约了成本还提高了效率。相比Ti N涂层,ZrN涂层综合性能更佳,比如其更高的硬度和更低的耐摩擦系数。然而,ZrN陶瓷涂层裂纹扩展抵抗力较低,在较高的载荷下容易发生灾难性的破坏。掺入韧性相是增韧硬质陶瓷涂层的最直接方法,韧性的增加来自塑性变形过程中消耗的额外功,通常金属由于其良好的延展性而成为延展相的有希望的候选者。掺杂韧性相是一种有效的增韧方法,但是会降低硬度。所以目前的研究集中在如何在不牺牲或少量牺牲硬度的情况下,大幅度提高硬质涂层的韧性。本文为实现ZrN陶瓷涂层的强韧化,使其成为硬而韧的涂层,在Si衬底和304不锈钢衬底上通过磁控溅射技术沉积了Zr（N,O）纳米复合涂层,分别通过改变Zr靶的溅射功率和衬底的温度,探究其对复合涂层微结构、组织形貌和力学性能的影响;采用热场发射扫描电镜（SEM）及其所配备的能谱仪（EDS）和X射线衍射仪（XRD）表征了涂层的形貌、结构、厚度和化学组成。采用纳米压痕仪表征涂层的硬度和弹性模量。采用划痕仪表征涂层的裂纹拓展阻力（CPRs）,来定量表征纳米复合膜的韧性;并引入了弹性硬质纳米涂层的概念,探究了硬质涂层新的发展方向,使硬质涂层可以应用于更多更复杂的环境下。主要研究内容如下:（1）通过改变Zr靶的溅射功率,探究Zr靶的溅射功率对Zr（N,O）纳米复合涂层微结构、组织形貌和力学性能的影响。Zr（N,O）纳米复合涂层在溅射功率P=375W时达到最高硬度H=18.03GPa和最高的弹性恢复率We=84%,涂层在此时的高力学性能是由ZrN相的高结晶度和（111）的择优取向共同造成的;在P=300W时,Zr（N,O）纳米复合涂层具有最高的韧性,主要是Zr O2非晶相此时最多;在功率P=400W时Zr（N,O）纳米复合涂层有较高的硬度H=16.28GPa和划痕韧性CPRs=58.15,涂层硬而韧,此时Zr（N,O）纳米复合涂层为弹硬纳米涂层。（2）通过改变衬底的温度,探究衬底温度对Zr（N,O）纳米复合涂层微结构、组织形貌和力学性能的影响。Zr（N,O）纳米复合涂层在衬底温度T=400℃时达到最高硬度H=21.17GPa和最高的弹性恢复率We=78.68%,涂层在此时的高力学性能是由ZrN相的高结晶度和（111）的择优取向共同造成的;在衬底温度T=600℃时,Zr（N,O）纳米复合涂层有最高韧性,表现为H/E、CPRs都为最大,涂层在此时的高韧性是由Zr O2的结晶和氮氧化物的生成导致的韧性相掺杂造成的,此时的涂层有较高的硬度H=16.14GPa和划痕韧性GPRs=84.32,涂层硬而韧,此时Zr（N,O）纳米复合涂层为弹硬纳米涂层。
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