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本文采用磁控溅射仪制备了不同Ag含量的ZrAlN-Ag、ZrMgN-Ag及ZrSiN-Ag纳米复合膜,采用X射线衍射仪、扫描电镜、纳米压痕仪、拉曼光谱、摩擦磨损试验机和三维形貌仪等对薄膜的微结构、力学性能、室温及高温下的摩擦磨损性能进行了研究,研究结果如下:
ZrAlN-Ag复合膜:由面心立方相ZrAlN、面心立方Ag及六方相AlN组成。随Ag含量的增加,ZrAlN-Ag薄膜的硬度和弹性模量先增大后减小,在Ag含量为0.41at.%时,达到最大硬度26.2GPa和最大弹性模量336.5GPa。室温下,随着Ag含量的增加,ZrAlN-Ag复合膜的摩擦系数先升高后降低,磨损率先降低后升高。在200~600℃温度范围内,在Ag含量为25.20at.%时,摩擦系数先降低后升高,磨损率持续增加。
ZrMgN-Ag复合膜:由面心立方相ZrN、六方相Mg和面心立方Ag组成。当Ag含量大于7.03at.%时,fcc-ZrN的择优取向由(111)转变为沿(200)生长。随着Ag含量的增加,ZrMgN-Ag薄膜的硬度和弹性模量呈先增大后减小的趋势,当Ag含量为0.55at.%时,达到最大硬度25.8GPa和最大弹性模量323.5GPa。室温下,随着Ag含量的增加,ZrMgN-Ag复合膜的摩擦系数逐渐降低,磨损率先降低后升高。在200?500℃温度区间,在Ag含量为12.33at.%时,摩擦系数先逐渐降低,500℃时达到最低,为0.28,磨损率逐渐增加;摩擦系数的降低跟具有润滑相的ZrOx,AgOx有关。
ZrSiN-Ag复合膜:由面心立方相ZrN和面心立方Ag组成。随着Ag含量的增加,ZrSiN-Ag薄膜的硬度和弹性模量先增大后减小,在Ag含量为0.46at.%时,达到最大硬度27.6GPa和最大弹性模量311.2GPa。室温下,随着Ag含量的增加,ZrSiN-Ag复合膜的摩擦系数逐渐降低,磨损率先降低后升高。随着温度逐渐升高至700℃,ZrSiN-Ag(25.36 at.%)复合膜摩擦系数先降低后升高,在500℃时达到最低,为0.33。磨损率随着温度的升高逐渐增加,表明薄膜中添加Ag能改善薄膜在低中温下的摩擦性能,在高温下没有明显改善效果,摩擦系数的降低跟AgOx,ZrOx有关,但不能改善磨损性能。
ZrAlN-Ag复合膜:由面心立方相ZrAlN、面心立方Ag及六方相AlN组成。随Ag含量的增加,ZrAlN-Ag薄膜的硬度和弹性模量先增大后减小,在Ag含量为0.41at.%时,达到最大硬度26.2GPa和最大弹性模量336.5GPa。室温下,随着Ag含量的增加,ZrAlN-Ag复合膜的摩擦系数先升高后降低,磨损率先降低后升高。在200~600℃温度范围内,在Ag含量为25.20at.%时,摩擦系数先降低后升高,磨损率持续增加。
ZrMgN-Ag复合膜:由面心立方相ZrN、六方相Mg和面心立方Ag组成。当Ag含量大于7.03at.%时,fcc-ZrN的择优取向由(111)转变为沿(200)生长。随着Ag含量的增加,ZrMgN-Ag薄膜的硬度和弹性模量呈先增大后减小的趋势,当Ag含量为0.55at.%时,达到最大硬度25.8GPa和最大弹性模量323.5GPa。室温下,随着Ag含量的增加,ZrMgN-Ag复合膜的摩擦系数逐渐降低,磨损率先降低后升高。在200?500℃温度区间,在Ag含量为12.33at.%时,摩擦系数先逐渐降低,500℃时达到最低,为0.28,磨损率逐渐增加;摩擦系数的降低跟具有润滑相的ZrOx,AgOx有关。
ZrSiN-Ag复合膜:由面心立方相ZrN和面心立方Ag组成。随着Ag含量的增加,ZrSiN-Ag薄膜的硬度和弹性模量先增大后减小,在Ag含量为0.46at.%时,达到最大硬度27.6GPa和最大弹性模量311.2GPa。室温下,随着Ag含量的增加,ZrSiN-Ag复合膜的摩擦系数逐渐降低,磨损率先降低后升高。随着温度逐渐升高至700℃,ZrSiN-Ag(25.36 at.%)复合膜摩擦系数先降低后升高,在500℃时达到最低,为0.33。磨损率随着温度的升高逐渐增加,表明薄膜中添加Ag能改善薄膜在低中温下的摩擦性能,在高温下没有明显改善效果,摩擦系数的降低跟AgOx,ZrOx有关,但不能改善磨损性能。