【摘 要】
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多组元氮化物硬质反应膜的金属组元配比直接影响着膜层的组织结构和性能,成分优化研究是多组元氮化物硬质反应膜的一个重要分支方向。本课题采用多弧离子镀沉积技术,选用单质
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多组元氮化物硬质反应膜的金属组元配比直接影响着膜层的组织结构和性能,成分优化研究是多组元氮化物硬质反应膜的一个重要分支方向。本课题采用多弧离子镀沉积技术,选用单质Ti靶、单质Cr靶和两种成分的Ti-Cr合金靶,分别组合,通过合理调整控制阴极靶弧电流,获得了成分(Ti/Cr原子比)均匀变化的系列TiCrN硬质膜。系统考查了所制备的TiCrN硬质膜的化学成分、形貌组织、相组成以及膜层硬度和抗热震性能,揭示了Ti/Cr组元配比对TiCrN硬质膜的影响作用。研究结果和讨论分析表明,在沉积工艺基本一致的前提下,采用双合金靶组合制备的TiCrN硬质膜层比单质靶组合具有膜层生长率高、表面液滴更多、N含量在膜层生长方向上分布均匀的特点;不同的阴极弧源靶组合方式未对膜层的相组成产生影响,本课题所制备的具有不同Ti/Cr原子比的TiCrN硬质膜层均由单一的TiCrN相组成,该TiCrN相具有面心立方结构,XRD中显示的金属相来自膜层中的液滴;但是,TiCrN硬质膜层的择优生长取向随着膜层中Ti/Cr原子比的变化而变化,当TiCrN膜层中Ti/Cr原子比较小时,其择优生长取向为(111)晶面,随着Ti/Cr原子比增大,择优生长取向变为(111)和(220),当膜层中Ti/Cr原子比大约在1:1时,其择优生长取向变为(200),随着膜层中Ti/Cr原子比继续增大,择优生长取向变为(111)、(200)和(220)晶面。在力学性能方面,随着膜层中Ti/Cr原子比的增加,TiCrN硬质膜层显微硬度值呈现先增大后减小的变化规律,当Ti/Cr原子比为1:0.87时,膜层硬度出现峰值,达到4033HV。TiCrN硬质膜层的热震行为研究表明,TiCrN硬质膜层的热震循环过程(空冷)主要包括两个阶段,热震循环初期的氧含量增加的稳态氧化阶段、随着膜层表面氧化加剧、膜层表面开始产生裂纹的氧化失稳阶段,最终导致TiCrN硬质膜层失效。单纯增加膜层中Cr含量并不能提高TiCrN硬质膜的抗热震性能,反而容易加剧膜层在热震循环过程中表面氧化进程。
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