TaN基纳米复合膜的微结构、力学性能和摩擦磨损性能影响研究

摘要

硬质薄膜技术是刀具、工模具材料表面改性的重要手段。具有较高硬度和良好耐磨性能的氮化钽(TaN)薄膜是硬质薄膜材料的重要组成部分。然而，随着加工制造技术的发展，二元TaN薄膜已不能满足严苛的服役要求，为此，本文利用磁控溅射技术，通过添加W、C及Mg等元素以提升TaN薄膜的力学及摩擦磨损性能，主要研究结果如下： (1)TaWN薄膜：当W含量小于22.8at.%时，薄膜两相共存，为fcc-(Ta,W)N+hcp-(Ta,W)N；随着薄膜中W含量的进一步升高，薄膜中出现了W2N相和W相，此时薄膜四相共存，为fcc-(Ta,W)N+hcp-(Ta,W)N+fcc-W2N+fcc-W。薄膜硬度随W含量升高先升高后降低，W含量为16.2at.%的薄膜硬度最高，其最高值为32.2GPa。薄膜硬度主要受相结构和固溶强化的影响。薄膜摩擦系数和磨损率均随W含量的升高逐渐下降。 (2)TaCN薄膜：当C含量低于3.6at.%时，TaCN薄膜相结构由fcc-Ta(C,N)和hcp-Ta(C,N)两相组成；当C含量高于3.6at.%时，TaCN薄膜相结构由fcc-Ta(C,N)、hcp-Ta(C,N)、CNx和C组成，且随着C含量的增加，CNx和C相含量逐渐增加。随C含量的增加，TaCN薄膜的硬度、弹性模量、H/E和H3/E*2均呈先升高后降低的变化趋势，在C含量为12.3at.%时，薄膜的硬度、弹性模量、H/E和H3/E*2最大，其最大值分别为33.1GPa、358.1GPa、0.092和0.221GPa。随着C含量的增加，薄膜的室温摩擦系数和磨损率都先下降后上升。当C含量为12.3at.%时，薄膜的摩擦系数和磨损率降到最低，为0.48和5.3×10-8mm3N-1mm-1。随着摩擦环境温度的升高，薄膜的摩擦系数和磨损都逐渐增大，薄膜的摩擦磨损性能变差。 (3)TaMgN薄膜：当Mg含量低于8.6at.%时，TaMgN薄膜由fcc-(Ta,Mg)N和hcp-(Ta,Mg)N两相组成；当Mg含量大于8.6at.%时，TaMgN薄膜由fcc-(Ta,Mg)N、hcp-(Ta,Mg)N和hcp-Mg三相组成。随着Mg含量的增加，TaMgN薄膜的硬度、弹性模量、H/E和H3/E*2都先增大后减小，当薄膜中Mg含量为8.6at.%时薄膜的硬度、弹性模量、H/E和H3/E*2都达到最大值，分别为33GPa、376GPa、0.088和0.255GPa。在室温下，薄膜的摩擦系数和磨损率均先下降后上升，Mg含量为8.6at.%时取得最小值，分别为0.66和1.04×10-7mm2/N。随着温度升高，薄膜的摩擦系数先增大后减小。当温度为400℃时，薄膜摩擦系数达到最大值，为0.86，而薄膜的磨损率逐渐增大，这主要与高温摩擦下生成的MgO,Ta2O5,TaO2氧化物有关。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1引言

1.2涂层的发展

1.3薄膜的制备方法

1.4薄膜的生长过程

1.5纳米复合膜

1.5.1纳米复合薄膜的研究现状

1.5.2纳米复合膜的致硬机理

1.6选题意义与研究内容

1.6.1选题意义

1.6.2研究内容

第2章 薄膜的表征和制备

2.1引言

2.2薄膜的制备方法与设备

2.2.1磁控溅射镀膜原理

2.2.2薄膜制备设备

2.2.3薄膜衬底材料

2.3薄膜表征设备

2.3.1 X射线衍射仪(XRD)

2.3.2扫描电子显微镜(SEM)

2.3.3透射电子显微镜(TEM)

2.3.4纳米力学测试系统

2.3.5高温摩擦磨损仪

2.3.6三维轮廓仪

第3章 TaWN纳米复合薄膜的制备及性能研究

3.1引言

3.2薄膜制备与表征

3.2.1薄膜制备

3.2.2薄膜表征

3.3结果与讨论

3.3.1成分与微观结构

3.3.2点缺陷形成能

3.3.3力学性能

3.3.4摩擦磨损性能

3.4本章小结

第4章 TaCN纳米复合薄膜的制备和性能研究

4.1引言

4.2薄膜制备与表征

4.2.1薄膜制备

4.2.2薄膜表征

4.3结果与讨论

4.3.1成分与微结构

4.3.2点缺陷形成能

4.3.3力学性能

4.3.4室温摩擦磨损性能

4.3.5中高温摩擦磨损

4.4本章小结

第5章 TaMgN纳米复合薄膜的制备和性能研究

5.1引言

5.2薄膜的制备与表征

5.2.1薄膜制备

5.2.2薄膜表征

5.3结果与讨论

5.3.1成分与微结构

5.3.2力学性能

5.3.3室温摩擦磨损性能

5.3.4中高温摩擦磨损性能

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢