含稀土元素钇氮化物涂层制备及性能的研究论文

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1、摘要硬质涂层是为了提高构件表面耐磨性、耐腐蚀和耐高温性能而施加在材料表面的覆盖层。其中金属氮化物属于金属间化合物，特别适合进行元素的合金化，具有较好的综合性能，其应用也最广泛。ZrN、CrN、CrAlN涂层由于其高硬度、耐磨损或高温抗氧化能力等突出特点而受到广泛关注。然而纳米结构硬质涂层在工业生产应用中也有其使用的温度极限，特别是在切削加工等产生大量热量的加工过程。现代工业的飞速发展对硬质防护涂层综合性能的要求日趋提高，硬质涂层开发相应地逐渐趋于多元、多层、复合方向发展。调研发现在材料表面改性层内添加少量

2、活性元素(包括：稀土、Ti、Zr、Hf)，可以改善改性层的致密性以及与基体的结合力，降低氧化速率，提高氧化膜的抗剥落性能，改善改性层的高温抗氧化性能。本文运用双靶反应磁控共溅射的方法制备系列不同Y含量的ZrYN、CrYN、CrAlYN(记作XYN，X=Zr、Cr、CrAl)涂层。通过SK2．2．12管式电阻炉或CVD(G)．07／50／2高温真空气氛管式炉，针对上述涂层在不同温度下进行高温氧化实验。采用Dektal【3series膜厚测量仪、场发射扫描电子显微镜(FE．SEM)、X射线衍射仪(Xlm)、电

3、子探针显微分析仪(EPMA)、CSM纳米力学测试系统等多种先进表征手段展开深入分析。从膜厚、结构、成分、力学性能、抗氧化性能等多个角度全面地讨论了Y含量、测试温度对涂层性能的影响：并讨论了相关作用机制。主要研究结论如下：1．Y元素以置换固溶的形式掺杂形成XYN涂层。2．XYN涂层均呈现面心立方结构，随着Y靶功率的增大，衍射峰发生偏移、宽化，峰强减弱，对应的晶格常数增大、晶粒尺寸减小；Y的添加对涂层表面形貌影响不大，也不影响涂层的柱状结构。3．随着Y含量的增加，ZrYN涂层的硬度先增大后减小；CrYN涂层的

4、硬度基本不变，当Y靶功率为200W时有所增大；CrAlYN涂层的硬度逐步增大。Y的掺杂对XYN涂层的结合力影响不大。4．随着Y靶功率的增大，XYN涂层的抗氧化性能先增强后减弱。①zrYN摘要涂层650℃氧化后发现适量Y的添加抑制了T-Zr02向M．Zr02的转变，即YSZ作用，提高涂层的抗氧化性能。②CrYN涂层(850℃，900℃)与CrAlYN涂层(1050℃，1150℃)中，适量Y元素的添加一方面可降低金属原子的外扩散速率，从而降低氧化膜的生长速度；另一方面还可能降低氧的内扩散速率，促进选择性氧化：

5、但当Y含量达一定程度后，会析出富Y相，从而降低涂层的抗氧化性能。关键词：反应磁控共溅射zrYNCfYNCrAlYNⅡAbstractHardcoatingshavebeenwidelyappliedontoolSsurfacebecauseofitsimprovementonwearresiStance，co仃0sionrcsistanceandhightemperatl叫ercsista】[1ce．1’ransitionmetalnitrides，oneofthemost呻ortantissuesiIl

6、thefieldofhardcoat．mgs，arehe锄etalliccompoundswitheXcellentpe墒nnance，whichisalsoespeciallyfitforthealloyingoftheekmem．Recent堍ZrN，CrN狮dCrAlNcoathgsIlaVegamd铲eata位emionbecauseoftheiroutst锄dinghardness，we盯rcsist觚ceorexcellentoxidationresist粕ce．HoweVcr，llardco

7、atillgsalsoIlavetemperaturee嫩remesmtheinduStrialproductionapplications，especiallyi11thcprocessofcun吨and111achilliIl吕Withther印iddevelopmentofmodemindust叮，thereis柚iflcreasingdemandofhardprotect～ecoat．mgwithbettercompreheIlSivemechanicalproperties，thussignmc

8、amattentionhasbeenpaidt0thedeVelopmentofthcmulti-element，multi．1ayer砒1dcompositehardcoathgs．ItisfoundthattheadditionoflittleactiVeelements(访clu妇g：rareeanhelement，RZr觚dHDt0ulemodifica：tionlayerc觚improVethecompactness