ti-tin-zr-zrn多层膜残余应力及疲劳性能的研究

《ti-tin-zr-zrn多层膜残余应力及疲劳性能的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜残余应力及疲劳性能的研究第一章绪论1.1引言航空及民用技术的飞速发展，要求材料具有更高的使用性能和加工性能，如飞机在低空飞行、起飞和降落过程中，空气中的尘埃和沙粒会被气流带入发动机，对发动机部件产生冲蚀磨损，发动机吸入空气中的水蒸气或盐雾也会引起点腐蚀，腐蚀和磨损的相互作用更会加速材料的破坏，在周期性气流的激振力作用下[1,2]，飞机叶片还会产生疲劳损伤故障，因此要求防护涂层具有耐磨损、耐腐蚀及耐疲劳等性能。尤其是疲劳性能更制约着材料的使用寿命，研究表明，航空航天发动机零部件的疲劳失效约占全部构件

2、损伤的49%[3]，高周疲劳失效又是疲劳失效中主要的失效形式，因此所制备的防护涂层对基体疲劳性能的影响以及其失效形式是关系到零件使用寿命最重要的研究内容。近几十年来，薄膜技术飞速发展并与复合处理技术相互综合运用，已经研制出各种性能优异的单层膜和多层膜，如单组元的Al[4]、Cu[5]和多组元的TiN[6]、TiC[7]、CrN[8]、ZrN[9]、TiAlN[10]以及Ti/TiN[11]、TiN/ZrN[12]、TiN/CrN[13]多层膜等。其中多层膜可以结合各层的性能以及涂层之间的相互作用而具有特别优异的性能，比如氮化物涂

3、层具有高硬度，好的耐磨性和耐腐蚀性，金属过渡层可以提高涂层韧性、膜/基结合强度，阻断柱状晶生长，金属和氮化物涂层相结合可以有效抑制裂纹的扩展，提高材料的使用寿命，多层膜不同的调制结构对薄膜的性能也有不同的影响，因此许多学者研究了不同调制周期、不同调制比的金属/金属多层膜、金属/氮化物多层膜、氮化物/氮化物多层膜的结构与性能。然而无论采用什么样的沉积方法，所沉积的多层膜中都不可避免的存在残余应力[14]。残余应力对薄膜的性能有很大影响，薄膜中残余应力较大，薄膜自身会产生弹性或塑性变形，甚至直接剥落；残余应力也不利于提高膜/基结合力

4、，较大的残余应力会引起薄膜的开裂或者剥落，甚至损坏基片。薄膜中过大的残余应力是薄膜剥落、断裂的重要原因，对薄膜的择优取向、硬度、结合强度、疲劳性能等会产生很大影响，对薄膜的结构和性能的影响研究具有至关重要的作用。......1.2硬质多层膜多层膜是由不同成分或不同结构的膜层在基体表面法线方向（Z方向）上交替生长而形成的多层结构[15]。图1-1所示为A、B两种材料组成的多层膜，A层与B层构成一个基本单元，其厚度为调制周期，用Λ表示，A层与B层的厚度比为调制比，对多层膜的研究主要讨论多层膜调制结构[16,17]对薄膜

5、性能的影响。如TiN/TiAlN多层膜[18]，硬度略有增加，耐磨性能明显增强，并且多层膜获得最高硬度和最优韧性的调制周期有所不同，耐磨性能最好的多层膜的调制周期应位于上述两者之间。此外，利用调制结构可以显著提高基体的耐腐蚀性能。Andrade等[19]采用非平衡反应磁控溅射的方法在不锈钢基底上沉积TiN/Ti多层膜，研究发现可以提高基体的耐腐蚀性能。Flores等[20]也得到类似结果，并且观察到因为单层膜的柱状晶粗大，形成的贯穿底部的针孔缺陷会让腐蚀液直接腐蚀基体，多层膜的多层结构柱状晶细小，没有贯穿到底部的针孔缺陷，所以多

6、层膜的耐腐蚀性能更好。430型扫描电镜观察多层膜的表面及截面形貌。扫描电镜具有较高分辨率、较大观察景深、放大倍数范围广等特点，并且样品制备简单，观察方便，可以像金相显微镜一样直接观察表面和截面形貌，而且还可以对表面微区成分进行定性、半定量分析，是材料研究领域中应用最广的仪器之一。薄膜厚度对涂层产品质量和使用性能产生很大的影响，是一项重要的技术参数。薄膜厚度的测试方法有很多种，金相截面法是最为常用的一种测量方法，采用光学显微镜或者扫描电镜观察薄膜的横截面形貌并测量其厚度。本实验采用NovaNanoSEM430型扫描电镜，拍摄图片后

7、用软件在截面形貌图上直接测量薄膜的厚度。薄膜的厚度通常在微米或纳米级别，测试过程中薄膜变形也会引起基体塑性变形，因此，测得的硬度值往往是薄膜与基体的复合硬度，一般认为压痕深度小于薄膜厚度的1/10时所测得的硬度为薄膜的硬度。本实验采用MH-5D型显微硬度仪来测量Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜硬度，加载载荷10g，保载时间15s，测量5个点的平均值为薄膜的显微硬度值。.....第三章TI/TIN/ZR/ZRN多层膜残余应力及性能研究............233.1引言.......233.2TiN和ZrN单层膜应力及性能...

8、......233.3不同调制周期多层膜的应力及性能.........273.4不同调制比对Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜的应力及性能..........333.5不同Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜厚度的应力及性能.........363.6小结......