论文部分内容阅读
过渡族金属氮化物以其优异的力学及摩擦磨损性能,在诸如刀具涂层等领域占据着一席之地。本文以ZrN和TaVN复合膜为研究对象,以提升宽温度条件下薄膜综合性能为目标,通过加入贵金属元素Cu、Ag改良薄膜的变温条件下的摩擦磨损性能。旨在优化现有薄膜设计的准则,制备出良好摩擦磨损性能的过渡族金属氮化物薄膜。采用射频磁控溅射法,制备了一系列不同Cu含量的ZrN-Cu复合膜,不同Ag含量的ZrN-Ag复合膜以及不同Ag含量的TaVN-Ag复合膜。利用X射线衍射仪,能谱仪,扫描电子显微镜,高分辨透射电子显微镜,纳米压痕仪,摩擦磨损试验机,台阶仪,拉曼光谱仪对薄膜的微结构、力学性能以及摩擦磨损性能进行表征。研究结果如下:对不同Cu含量的ZrN-Cu复合膜的研究结果表明:ZrN-Cu复合膜是由fcc-ZrN和fcc-Cu组成,沿(111)择优生长。ZrN-Cu复合膜的硬度随着Cu含量的增加呈先增加后减小的趋势。当Cu含量为16 at.%时,复合膜的硬度达到最大值为34.6GPa。室温下,复合膜ZrN-Cu的摩擦系数低于ZrN薄膜。当Cu含量低于39 at.%时,ZrN-Cu复合膜的磨损率低于ZrN薄膜。设置薄膜的高温摩擦磨损测试温度在200-700℃之间时,Cu含量为16 at.%的ZrN-Cu复合膜的摩擦系数低于ZrN薄膜,但其磨损率高于ZrN薄膜。归纳得出,Cu元素的添加,可提高ZrN-Cu薄膜的硬度和改善薄膜室温下的摩擦磨损性能,降低其在200-700℃温度下的摩擦系数。对不同Ag含量的ZrN-Ag复合膜的研究结果表明:ZrN-Ag复合膜由fcc-ZrN和fcc-Ag组成,沿(111)择优生长。ZrN-Ag复合膜的硬度随着Ag含量的增加呈先增加后减小的趋势。当Ag含量为6.1 at.%时,复合膜的硬度达到最大值为22.8GPa。室温下,ZrN-Ag复合膜的摩擦系数低于ZrN薄膜,且随着Ag含量的增加ZrN-Ag复合膜的摩擦系数逐渐降低。薄膜进行高温摩擦磨损测试时,随着温度的升高,Ag会从薄膜内部向外表面扩散。当温度在200-500℃之间时,Ag含量为29.17 at.%的ZrN-Ag复合膜的摩擦系数低于ZrN薄膜,但磨损率高于ZrN薄膜。归纳得出,Ag元素的添加,提高了ZrN-Ag复合膜的硬度,降低其在25-500℃温度下的摩擦系数。对不同Ag含量的TaVN-Ag复合膜的研究结果表明:TaVN-Ag复合膜是由fcc-TaVN以及fcc-Ag组成,沿(200)择优生长。TaVN-Ag复合膜随着Ag含量的增加,复合膜的硬度先增高后降低。当Ag含量为1.5 at.%时硬度达到最大值为31.4 GPa。室温下,TaVN-Ag复合膜的摩擦系数低于TaVN薄膜,且随着Ag含量的增加TaVN-Ag复合膜的摩擦系数逐渐降低。当温度从室温升高到600℃时,TaVN-Ag复合膜和TaVN复合膜的磨损率均随着温度的升高逐渐增大,TaVN-Ag复合膜的摩擦系数低于TaVN复合膜,但TaVN-Ag复合膜的磨损率均高于TaVN复合膜。归纳得出,Ag元素的添加,提高了TaVN-Ag复合膜的硬度,降低其在25-500℃温度下的摩擦系数。