第十三届全国青年表面工程学术会议

227 / 2021-04-10 12:32:03

复合磁控溅射Zr-B-N/ZrO2纳米多层膜的研究

涂层成分反向设计方法,Zr-B-N/ZrO2纳米多层膜,调制周期,调制比,刀具涂层,力学性能

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为解决硬质合金刀具高速切削高温合金时刀具易磨损、寿命短的难题，本文提出“涂层成分反向设计”方法，并利用还原性气氛去除镀膜室内残留O₂，研制高纯度高性能Zr-B-N涂层，降低对真空镀膜设备的工艺要求；再周期性植入ZrO₂层作为热屏障和化学屏障，利用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合技术研制Zr-B-N/ZrO₂纳米多层膜，通过调控多层结构的异相界面，优化纳米多层膜的力学性能和摩擦学性能，提高涂层硬质合金刀具的使用寿命和加工效率。利用XRD、SEM、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机和台阶仪等对Zr-B-N/ZrO₂纳米多层膜的微观组织和力学性能进行表征和测试，研究表明Zr-B-N/ZrO₂纳米多层膜主要由ZrO₂和ZrN相组成，还含有少量非晶相。当多层膜调制周期为90 nm、调制比为7:1时，纳米多层膜硬度最高，约为30.2 GPa，相比于单一组分Zr-B-N薄膜（硬度23.2 GPa）和ZrO₂薄膜（硬度24.2 GPa），Zr-B-N/ZrO₂纳米多层膜的硬度分别提高了29.8%和24.7%。这是由于ZrO₂相（a_ZrO2=5.3）和ZrN相（a_ZrN=4.57）晶格常数不同，调制层间界面处产生共格畸变，交替应力场使外力作用下发生位错的阻力增大，致使纳米多层膜硬度显著提升。同时该多层膜的H/E与H³/E*²值也最大，分别为0.096和0.228 GPa，表明此时薄膜的抗弹性应变和抗塑性变形能力最强。当多层膜调制周期为90 nm、调制比为5:1时，其临界载荷最大，约为44.0 N；当调制周期为90 nm、调制比为7:1时，Zr-B-N/ZrO₂纳米多层膜的抗磨损能力最强，磨损率达5.0×10^-7 mm³·N^-1·mm^-1。