tialnalnvnalntialnvn纳米多层膜的微结构与超硬效应研究

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1、●上海交通大学硕士学位论文摘要(Ti，AI)N／AIN、VN／AIN、(Ti，A3)N／VN纳米多层膜的微结构与超硬效应研究摘要／、、l硬质薄膜因能显著改善切削刀具的切削性能及工模具的抗磨损性能、提高其使用寿命以及增加产品的美观度而备受关注。近二十年来发展起来的纳米多层薄膜由于在较小调制周期下表现出比单一薄膜更优异的综合力学性能而成为继单层硬质薄膜后另一类具有良好发展前景的硬质薄膜材料。通常情况下难以获得的亚稳态立方A1N具有优良的综合力学性能，考虑到在某些多层膜体裂中通过共格应力的约束可得到稳定的立方A1N层并能显著提高多层膜的力学性能，)本文设计并制各了(T

2、i，A1)N／A1N，VN／AlN及(Ti，AI)N／VN三种点阵错配度不同的多层膜体系，并在每一体系中制备了7组不同调制周期的实验样品，采用高、低角度XRD、AFM、HRTEM技术及由本文提出的可准条件、存在方式及共格应力和调制周期对纳米要结果如下：1)采用毫牛力学探针技术，提出了通过大、小两步加载来测量硬质薄膜力学性能的两步压入法。结果表明，通过大载荷加载可以清晰展示出基体及薄膜厚度等因素对测量载荷的要求，因而可在消除这些因素影响的前提下选择最适合的加载载荷进行小载荷加载，以准确可靠地测量硬质薄膜的硬度、弹性模量等力学性能。2)分别在高速钢和不锈钢基体上制备

3、了不同厚度的TiN薄膜，采用两步压入法对其力学性能进行了研究。结果表明，TiN薄膜的硬度和弹性模量因基体性质和薄膜厚度的不同而表现出一定的差异：基体硬度升高和薄膜厚度增加时薄膜的硬度也随之增加，因基体和膜厚变化引起的膜层内应力的变化被认为是产生这一现象的主要原因。3)采用XRD、HRTEM等技术对所制备的调制比约为2：l的不同调制周期的(Ti，A1)N／A1N纳米多层膜微结构进行了分析，提出了多层膜内晶格发生畸变的模型。结果表明，在调制周期较小(4．5rim)时该多层膜呈多晶互外延生长状态，其中A1N以立方结构同(Ti．A1)N保持共格，但在(001)和(111

4、)晶面的原子均不同程度地●上海交通大学硕士学位论文摘要偏离了其平衡位置，采用在AIN层内的原子受到拉应力，(Ti，A1)N层内原子受到压应力的原子模型能对此做出较好的解释。随周期的增大，A1N则以六方结构存在，说明(Ti，A1)N晶格约束A1N使之形成立方相存在一定的作用范围。4)对(Ti，A1)N／A1N纳米多层膜力学性能的测量表明，其硬度随调制周期减小呈单调上升的趋势，在调制周期为1．3nm时出现的最高硬度(Hv31．5GPa)高出其组元ROM值的30％左右：弹性模量也随调制周期的减小呈单调上升的趋势，其最高弹性模量高亦出组元模量ROM值的30％。多层膜中共

5、格应力的存在和小周期下形成的立方A1N是导致这一现象的主要原因。5)通过对大周期下VN／A1N纳米多层膜的HRTEM研究表明，当调制周期较大(13．2ha)时，VN和A1N难以以外延方式生长。多层膜晶粒细小，且vN为面心立方结构，而AlN则成为阻挡层，仅部分晶化并呈六方结构。力学性能上vN／AlN与(Ti，A1)N／AIN多层膜体系相似，硬度和弹性模量随周期的不断增大而单调降低，A1N亦由亚稳态的立方相向六方相过渡，说明只有在一定的调制周期范围下通过多层膜中共格应力的约束才能得到立方相的A1N。6)(Ti。A1)N／vN纳米多层膜在小周期亦表现出硬度和弹性模量异

6、常升高的超硬和超模量效应，其维氏硬度高出组元ROM值50％，弹性模量较之ROM值的增量也达到o／了30％。1，／关键词硬质薄膜，硬度测量，两步压入法，纳米多层膜，硬发，弹性模量，交变应力ll■●上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTSTUDIESoNMICRoSTRUCTURESANDSUPERHARDNESSEFFECTSIN(Ti,AI)N／AIN，VN／AINAND(Ti，AI)N／VNNANO·SCALEMULTILAYERSABSTRACTTherehasbeenallincreasinginterestinthehardthinfilmbecaus

7、eoftheirhighperformanceinimprovingthepropertiesoftoolsandproducts，suchaScuttingproperties，wear-resistance，lifetime，oreventheappearance．Inthepasttwodecades，nano-scalemultilayershaveattractedagreatdeaIofatcentionsincetheirsuperiorcomprehensivemechanicalpropertiesatsmallmodulationperiod

8、，andthisalso