高功率调制脉冲磁控溅射离子增强沉积TiSiN超硬超厚纳米复合涂层机理研究

超硬超厚纳米复合涂层制备是超硬材料领域的难题之一。本项目采用国际上最新发展的高功率调制脉冲磁控溅射技术沉积TiSiN纳米复合涂层。利用功率密度高达每平方厘米kW级、低频5-500赫兹和长脉宽500-3000微秒的脉冲调制作用，获得近全离化的溅射Ti、Si离子和N原子离子组成的高密度等离子体，在硬质合金、SiC陶瓷等基体表面，高速制备具有纳米晶TiN/非晶a-Si3N4/a-TiSix复合结构的纳米复合涂层。研究纳米复合涂层成分、微结构、界面特性与硬度、残余应力、膜基结合强度，以及耐磨抗疲劳性能的关系，揭示高密度、近全离化等离子体增强扩散生长纳米复合组织和离子轰击改性界面结构的机制，确定纳米晶和非晶组成、尺寸和分布形态对硬度和残余应力的影响规律，制备硬度超过50 GPa、厚度20-50微米的TiSiN超硬超厚纳米复合涂层，满足核主泵机械密封环等重载高速长寿命服役零部件耐磨损抗疲劳需求。

超硬超厚纳米复合涂层制备是超硬材料领域的难题之一。本项目采用国际上最新发展的高功率调制脉冲磁控溅射技术沉积TiAlSiN纳米复合涂层。基于引进的美国Zpulser高功率脉冲电源，自主开发了计算机自动控制的高功率调制脉冲磁控溅射系统，研究了高功率调制脉冲磁控溅射放电特性，分析了其放电机制，发现了充电电压和脉冲作用时间是控制高功率调制脉冲磁控溅射放电的关键参数。利用功率密度高达每平方厘米kW级、低频5-500赫兹和长脉宽500-3000微秒的脉冲调制作用，获得了近全离化的溅射Ti、Al、Si离子和N原子离子组成的高密度等离子体，高速制备了具有纳米晶TiAlN/非晶a-Si3N4复合结构的纳米复合涂层。研究了氮气分压、靶材成分、溅射功率对纳米复合涂层成分、微结构的影响规律，以及与硬度、残余应力和耐磨性能的关系，揭示了高密度、近全离化等离子体增强扩散生长纳米复合组织成分与结构调控机制，确定了纳米晶和非晶组成、尺寸和分布形态对硬度和残余应力的影响规律，制备了硬度近40 GPa、厚度10微米的TiAlSiN超硬超厚纳米复合涂层，满足核主泵机械密封环等重载高速长寿命服役零部件耐磨损抗疲劳需求。授权国家发明专利2项，在中文核心期刊发表论文1篇，国际表面工程核心期刊Thin Solid Films在审论文1篇，无机材料学报待发表论文1篇；参加国内外重要学术会议并作口头报告3次、墙报1次，培养在读博士研究生1人，毕业硕士研究生1人，在读硕士研究生1人。