反应磁控溅射制备cralnalon纳米多层涂层的微观结构和力学性能

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1、------------------------------------------------------------------------------------------------反应磁控溅射制备CrAlNAlON纳米多层涂层的微观结构和力学性能２０１２年５月中国热处理技术路线圈高层论坛暨第八届中国热处理活动周论文集厦门反应磁控溅射制备ＣｒＡＩＮ／ＡＩＯＮ纳米多层涂层的微观结构和力学性能李伟１，刘平１，郑康培２，马凤仓１，刘新宽１，陈小红１，何代华１（１上海理工大学材料科学与工程学院，上海２０００９３２惠州市华阳光学技术有限公司，广东惠州５１６００５）摘要：通过

2、反应磁控溅射制备了一系列不同ＡＩＯＮ厚度的ＣｒＡＩＮ／ＡＩＯＮ纳米多层涂层，用ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、高分辨透射电镜（ＨＲＴＥＭ）和纳米压痕仪分别对涂层微观结构和力学性能进行了的表征和测量。研究表明：非晶态的ＡＩＯＮ层在厚度小于０．９ｒｉｍ时，在Ｂ１．ＮａＣＩ结构的ＣｒＡＩＮ层的模板作用下转变为晶体结构，并与ＣｒＡＩＮ层呈共格外延生长，涂层出现超硬效应；当ＡＩＯＮ厚度为０．９ｒｉｍ时，涂层的硬度和弹性模量分别最高可达３２．８ＧＰａ和４０４ＧＰａ；当ＡＩＯＮ厚度超过０．９ｎｍ时，ＡＩＯＮ逐渐转变回非晶结构并且破坏了涂层的共格外延生长，力学性能随之降低。ＣｒＡＬＮ／Ａ１０Ｎ纳米多

3、层涂层——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------超硬效应的强化机制可解释为模量差效应和交变应力场效应的共同作用。关键词：ＣｒＡｌＮ／灿０Ｎ纳米多层涂层；超硬效应；共格外延生长；非晶晶化切削技术的不断发展对刀具的硬度、抗磨损性度的氮化物交替覆合形成纳米多层涂层，进而获得兼具有良好的硬度和抗高温氧化性能的新型涂层。鉴于此，我们提出通过反应溅射制备具有高硬度

4、和优良抗氧化性能的三元氮化物／氧化物纳米多层涂层，本研究将ＣｒＡｌＮ与ＡＩＯＮ进行覆合，ＣｒＡＩＮ具有较高的硬度和抗高温氧化性能，其红硬性为氮化物提出了更高的要求，而硬质涂层刀具已成为近年来高性能刀具的主要发展方向。Ｔｉ系涂层，如ＴｉＮ和ＴｉＡＩＮ涂层的抗氧化温度分别只有６００℃和８０００Ｃ…，对于保护性硬质涂层而言，当在高温环境下工作时，对热稳定性的要求显得尤为重要。ＣｒＮ涂层因具有高的硬度、优良的耐磨性、低的摩最高，ＡＩＯＮ具有比Ａｌ：Ｏ，更好的化学稳定性，其抗氧化温度达１２００℃【８ｊ，因此交替沉积的ＣｒＡｌＮ／ＡＩＯＮ纳米多层涂层有望成为综合性能优异的新型刀具保护涂

5、层。本文即通过反应磁控溅射制备了一系列不同ＡＩＯＮ厚度的Ｃｒ．ＡｌＮ／ｍ０Ｎ纳米多层涂层，并对其微观结构和力学性能进行深入的研究。擦系数以及耐蚀性等许多优点而引起人们的重视，但ＣｒＮ的抗氧化温度也仅有６５００ＣＪ，不能满足干——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------切削时热稳定性的需要。ＣｒＡＩＮ是在面心立方的ＣｒＮ中加入铝后形成的新型三元涂层，研究表

6、明，ＣｒＡｌＮ具有比ＣｒＮ更好的耐磨性、更高的硬度以及更好的热稳定性和机械加工性能¨剧，其抗氧化温度１２可达到９００叫６。．已受到人们的广泛关注。然而，ＣｒＡＩＮ的硬度相对不高，一般仅有２８ＧＰａ，这限制了ＣｒＡｌＮ在苛刻条件下的应用。近年来对纳米多层涂层的研究发现，ＴｉＮ／ＶＮｌ７’１试验材料与方法ＣｒＡｌＮ／ＡｌＯＮ纳米多层涂层在ＪＧＰ－４５０型多靶磁控溅射仪上采用反应溅射法制备，其结构示意图如图１所示。其中ＣｒＡＩＮ层采用中７５ｍｍ的Ａｌ加Ｃｒ６０（ａｔ％原子分数，纯度９９．５％）合金靶直流溅射沉积，功率为１２０Ｗ；ＡＩＯＮ层用①７５ｍｍ的Ａ１２０３靶（９９．９９％）

7、射频溅射沉积，功率为１２０Ｗ。Ｍ２钢基片经Ｗ０．５抛光后，用无水酒精和丙酮超声波清洗后直接装入真空室内进行３０ｍｉｎ的反溅清洗。待真等纳米多层涂层随着调制周期的变小，涂层能出现超硬效应，因此有望利用这一现象进一步提高涂层的力学性能。ｔＳｉＯ：、ＡＩＯＮ等氧化物具有优良的抗高温氧化性和耐磨性，但因其硬度较低不能单独作为刀具涂层使用。然而可以通过把这些氧化物与高硬——————————————————————————————————————-----------------------------------------