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《河北工业大学》 2017年
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磁控溅射TiN/CrN多层膜纳米力学性能研究

靳巧玲  
【摘要】:随着工业的不断发展,机械零件和工程构件服役环境的多样化对机械零部件的性能提出了更高的要求,硬质TiN薄膜由于其高硬度和高耐磨性等优点而广泛应用在机械零部件的表面防护方面。然而常规的TiN薄膜容易在工作过程中从基体上剥落,在循环往复的动态载荷下容易产生疲劳失效,并且高温环境下力学性能较差,以上不足均限制了其在航空航天发动机、高速钢等环境中工作的可能性。为此,发展了以TiN薄膜为基础的多层薄膜,研究表明多层结构增强了薄膜的断裂韧性、抗冲击疲劳性能和高温力学性能等。本课题采用磁控溅射技术制备了TiN和CrN单层薄膜,并交替沉积两种薄膜制备了TiN/CrN多层薄膜,并探索研究了溅射功率对单层薄膜和调制周期对多层薄膜力学性能的影响。分别使用扫描电子显微镜、原子力显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱和纳米力学测试系统对薄膜的表面形貌、微观结构、相组成和多项纳米力学性能进行了测试。重点针对纳米尺度的多层薄膜微观结构的特殊性,采用基于纳米力学测试系统中的纳米压痕、纳米动态载荷测试和高温纳米压痕模块深入探究了多层复合薄膜在准静态、动态冲击和高温服役条件下的力学性能。对比了多层薄膜与单层薄膜、不同调制周期的多层薄膜的力学性能,结合多层薄膜微观结构研究了其硬度、抗断裂性能和抗冲击疲劳性能的增强机制。结果表明多层薄膜综合力学性能优于单层薄膜,并且随着调制周期的减小,多层薄膜硬度、断裂韧性、抗冲击疲劳性能和高温力学性能均有所改善。调制周期较大的多层薄膜硬化机理遵循Hall-pech理论,当调制周期小于10nm时,硬化机理主要是界面协调应变机制。调制层之间的相结构、模量和变形机制以及调制层之间的相互作用机制均是阻碍裂纹扩展以及提升多层薄膜性能的影响因素。高温下调制周期较小的薄膜力学性能变化较小较稳定,调制周期较大的薄膜硬度降低、抵抗塑形变形的能力下降。薄膜的断裂性能与载荷、调制周期均有密切联系,薄膜首次产生破坏时的临界载荷受薄膜裂纹扩展动力和压头压应力的竞争关系所决定,相同载荷时调制周期较大的薄膜更易产生放射状裂纹以及剥落现象,达到某临界调制周期后,薄膜的韧性显著降低转变为脆性薄膜。纳米冲击测试表明,薄膜抗冲击疲劳寿命随冲击载荷和调制周期的增大逐渐变短,薄膜抗冲击疲劳破坏分为三个阶段:薄膜表面裂纹的形核,裂纹的进一步形核和生长,冲击压痕的边缘出现了明显的环形层状堆积,最终呈放射状向外破碎和剥落。
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