【摘 要】
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CrAlSiN纳米复合薄膜作为最新一代过渡金属氮化物硬质膜层,具备高硬度、抗氧化、热稳定和耐磨损等优异性能,能够有效改善材料表面性能,在刀具、模具及航空航天等领域有着广泛应用。本文采用磁控溅射方法,优化设计课题组前期工艺参数,在高速钢、硬质合金和钛铝合金基体表面沉积CrAlSiN纳米复合薄膜,Si的含量为:8.35 at.%。在此基础上,依据刀具高速切削、干摩擦以及航空航天难加工材料的高温环境等工
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CrAlSiN纳米复合薄膜作为最新一代过渡金属氮化物硬质膜层,具备高硬度、抗氧化、热稳定和耐磨损等优异性能,能够有效改善材料表面性能,在刀具、模具及航空航天等领域有着广泛应用。本文采用磁控溅射方法,优化设计课题组前期工艺参数,在高速钢、硬质合金和钛铝合金基体表面沉积CrAlSiN纳米复合薄膜,Si的含量为:8.35 at.%。在此基础上,依据刀具高速切削、干摩擦以及航空航天难加工材料的高温环境等工况,分别进行大气和真空热处理,研究薄膜高温下的抗氧化性能和热稳定性能。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪、激光共聚焦显微镜等检测手段对沉积态、大气热处理（700℃、800℃、900℃、1000℃）以及真空热处理（700℃、800℃、900℃、1000℃）后薄膜的表面形貌、元素组成及含量、相结构、纳米硬度和弹性模量及纳米磨损率等进行表征及分析。CrAlSiN薄膜表面平整致密、无裂纹等缺陷,主相为fcc-Cr N。大气氧化和真空热处理后,薄膜的硬度和弹性模量随温度的升高而降低,纳米磨损率随温度的升高而增大。高速钢基体CrAlSiN薄膜的硬度和弹性模量值为24.87 GPa/300.51 GPa,纳米磨损率为0.024 nm/m N。大气热处理后,700℃时,薄膜表面出现微裂纹,存在Cr2O3和Al2O3氧化物,膜层为面心立方结构;800℃时,膜层表面氧化加重,氧化物的衍射峰强度随退火温度的升高而增强;900℃时,微裂纹增长,氧化物数量增多;1000℃时,氧化物颗粒增大,膜层仍是面心立方结构,薄膜仍具有一定抗氧化性。钛铝合金基体CrAlSiN薄膜的硬度和弹性模量值为26.08 GPa/311.85 GPa,纳米磨损率为0.014 nm/m N。大气热处理后,700℃时,薄膜表面出现微裂纹,存在Cr2O3和Al2O3氧化物;800℃时,氧化物增加,氧化物衍射峰强度随退火温度的升高而增强;900℃时,出现基体氧化物衍射峰,基体发生氧化,晶粒变得粗大;1000℃时,膜层中只存在Al2O3和Ti O2衍射峰,膜层结构发生改变,薄膜氧化严重,抗氧化性能降低。硬质合金基体CrAlSiN薄膜的硬度和弹性模量值为23.72 GPa/291.64 GPa,纳米磨损率为0.034 nm/m N。真空热处理后,700℃时,薄膜为面心立方结构,无裂纹产生;800℃时,薄膜表面产生裂纹,出现Cr2N相,薄膜结构发生转变;900℃时,薄膜表面存在大量的网状裂纹,基体元素扩散至膜层表面,热稳定性降低;1000℃时,薄膜表面出现大量白色颗粒,基体元素含量增大,热稳定性持续降低。
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