复合硬质涂层中非晶相尺寸对力学性能的影响

摘要

硬质涂层具有高硬耐磨及化学性质稳定等优点，被广泛应用于传统刀具、切削加工和汽车零件等方面。硬质涂层在生产应用中容易出现脆性断裂，单纯提升涂层硬度已经不能满足要求，此领域的研究方向逐渐转向提升涂层的综合力学性能:制备硬度、韧性及耐磨性能均优异的复合涂层。将纳米晶和非晶相有效复合，可改善涂层的综合力学性能，因此成为目前研究的主流方向。但目前研究人员多关注于纳米晶和纳米晶-非晶界面在该体系中的作用，而对非晶相的相关研究较少。本文旨在通过有限元(ABAQUS)和磁控溅射两种途径，制备TiN/a-SiN和TiN/a-C多层膜，研究调制周期中非晶相(a-SiN和a-C)的变化对复合硬质涂层的力学性能影响。
　　本文使用磁控溅射法制备出晶态TiN与非晶态a-SiN周期交替的TiN/a-SiN多层膜。研究发现，随着调制周期中a-SiN层厚度的不断增大，多层膜的硬度和杨氏模量表现出下降趋势。在a-SiN层厚度较低时，多层膜保持较高的硬度与杨氏模量;进一步增大a-SiN层厚度，多层膜硬度和杨氏模量出现明显下降。涂层压痕韧性则随着a-SiN层厚度增加，表现出先增加后降低的趋势。当a-SiN层厚度适宜时，高硬度的TiN层可提供一定的支撑，避免a-SiN层出现较大变形;同时a-SiN层又可以缓解TiN层中的应力集中，抑制裂纹产生和延伸，这种协同作用可使得多层膜压痕韧性提高。研究还发现，多层膜的摩擦性能与压痕韧性正相关，当压痕韧性较高时，多层膜的摩擦性能较好、磨损率较低。
　　本文进一步制备出晶态TiN与非晶态a-C周期交替的TiN/a-C多层膜。研究发现，随着调制周期中a-C层厚度的增加，多层膜的硬度呈下降趋势，但杨氏模量却先上升后下降。该多层膜的压痕韧性变化规律与TiN/a-SiN多层膜相一致，都是先上升后下降。压痕韧性较好的TiN/a-C多层膜具有较低的摩擦系数、磨损率，表现出良好的耐磨性。与TiN/a-SiN多层膜相比，TiN/a-C多层膜的硬度与杨氏模量整体上较低，但摩擦学性能更佳，摩擦系数更小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 硬质涂层的发展进程

1．1．2 硬质涂层的研究方向

1．2 硬质涂层制备方法

1．2．1 磁控溅射原理

1．2．2 磁控溅射分类

1．3 有限元压痕仿真分析

1．3．2 有限元压痕仿真研究现状

1．4 研究内容与意义

第二章 实验内容

2．1 实验技术路线

2．2 原材料

2．3 实验设备

2．4 涂层有限元仿真分析

2．5 涂层微观组织分析

2．5．3 涂层物相分析

2．6 涂层摩擦磨损分析

2．7 涂层硬度及纳米压痕分析

2．7．1 涂层显微硬度分析

2．7．2 涂层纳米压痕分析

第三章 TiN／a-SiN多层硬质涂层性能研究

3．1．2 单层TiN、单层SiN薄膜结构分析

3．1．3 单层TiN、单层a-SiN薄膜力学性能

3．1．4 单层TiN、单层a-SiN薄膜有限元仿真

3．2 调制比1∶1的TiN／a-SiN多层硬质涂层力学性能研究

3．2．1 实验制备调制比1∶1的TiN／a-SiN多层膜

3．2．2 调制比1∶1的TiN／a-SiN多层膜硬度及压痕分析

3．2．3 调制比1∶1的TiN／a-SiN多层膜摩擦性能分析

3．2．4 调制比1∶1的TiN／a-SiN多层膜仿真分析

3．3 TiN-(Snm)／a-SiN多层硬质涂层力学性能研究

3．3．2 TiN(5nm)／a-SiN多层膜硬度及压痕分析

3．3．3 TiN(5nm)／a-SiN多层膜摩擦性能分析

3．3．4 TiN(5nm)／a-SiN多层膜仿真分析

3．4 TiN(10nm)／a-SiN多层硬质涂层力学性能研究

3．4．1 实验制备TiN(10nm)／a-SiN多层膜

3．4．2 TiN(10nm)／a-SiN多层膜硬度及压痕分析

3．4．3 TiN(10nm)／a-SiN多层膜摩擦性能分析

3．4．4 TiN(10nm)／a-SiN多层膜仿真分析

3．5 本章小结

第四章 TiN／a-C多层硬质涂层性能研究

4．1．1 制备单层TiN、单层a-C涂层

4．1．2 单层TiN、单层a-C薄膜结构分析

4．1．3 单层TiN、单层a-C薄膜力学性能

4．1．4 单层TiN、单层a-C薄膜有限元仿真

4．2 调制比1∶1的TiN／a-C多层硬质涂层力学性能研究

4．2．2 调制比1∶1的TiN／a-C多层膜硬度及压痕分析

4．2．3 调制比1∶1的TiN／a-C多层膜摩擦性能分析

4．2．4 调制比1∶1的TiN／a-C多层膜仿真分析

4．3 TiN(5nm)／a-C多层硬质涂层力学性能研究

4．3．2 TiN(5nm)／a-C多层膜硬度及压痕分析

4．3．3 TiN(5nm)／a-C多层膜摩擦性能分析

4．3．4 TiN(5nm)／a-C多层膜仿真分析

4．4 TiN(10nm)／a-C多层硬质涂层力学性能研究

4．4．2 TiN(10nm)／a-C多层膜硬度及压痕分析

4．4．3 TiN(10nm)／a-C多层膜摩擦性能分析

4．4．4 TiN(10nm)／a-C多层膜仿真分析

4．5 本章小结

第五章 a-SiN、a-C对多层膜力学性能的影响

5．2 a-SiN、a-C对多层膜摩擦磨损测试影响

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的文章专利