周期性金属氮氧化物超硬涂层制备及其界面结构变化机理研究

Periodic multilayer hard coatings consisting of alternated two (or more) materials are attracting increasing attention as their advantages of multiple interfaces effect, grain refinement and modulation period, which provides excellent comprehensive mechanical properties. In present, the application of the hard coatings are limited at harsh environment, like high working temperature because of easy oxidation resulting in hardness decrease. we propose to prepare periodic multilayer coatings based on the metal oxides with aiming to obtain oxidation resistance at high temperature. Regarding on the problem of crystallization of metal oxides, coherent growth and the mechanism of interface structure change in the multilayer, the crystallization growth experiences of metal nitrides will be taken and we control the ratio between nitrogen and oxygen during growth to gradually realize the crystallization of metal oxides. We focus on studying the relationship between interfacial structure and experimental parameters as well as heat treatment. The destructive and nondestructive methods will be performed to understand the mechanism of interface change. In addition, the effect of content, phase in the coating and periodic thickness on the mechanical properties will be revealed.

周期结构涂层因具有多界面效应、晶粒细化和周期可调制等特点，并具有优异的综合性能而成为研究热点之一。本项目针对目前硬质涂层存在高温易氧化的缺陷，借鉴周期结构多层膜的多界面效应，制备含有金属氧化物的周期调制结构纳米多层膜涂层，以期获得兼具较高硬度和高温抗氧化性的优质涂层。鉴于金属氧化物制备中存在的非晶生长及界面结构变化机理问题，提出借鉴金属氮化物的晶化沉积经验，制备中通过控制氮氧比例，实现从金属氮氧化物逐渐过渡到金属氧化物的稳定晶相生长，优化出共格生长的工艺条件。重点研究工艺参数和后处理条件对界面结构变化的影响关系，结合常规和非破坏性等界面测试的先进表征手段，具体分析周期结构中存在的不同沉积顺序界面的扩散反应机理。探索多层膜成份、材料相变及厚度对涂层力学性能的影响规律。为进一步提高多层膜涂层的高硬度和高温抗氧化性研究奠定基础。

基于周期结构的多界面效应、晶粒细化和周期可调制等特点，采用反应磁控溅射方法制备周期结构薄膜，研究由金属氮氧化物薄层交替组成的周期结构超硬涂层以及界面结构物理化学性能变化机理。其主要研究内容和研究结果归纳如下：.主要研究内容：鉴于周期结构涂层是至少由两种成分膜构成的结构，首先研究制备成分可调控的单层膜，主要研究了模板层TiN, 外延层ZrON、CrON、AlON中的氮氧成分控制，通过采用金属氮化物和氧化物为靶材分别通入氧气和氮气经过磁控溅射反应制备完成，成分测试主要采用XPS方法；采用XRR方法得到薄膜的生长速率，得到单层膜成分可控和生长速率的优化参数之后，制备周期多层结构涂层TiN/ZrON和TiN/CrON；主要研究不同厚度和调制比对涂层的硬度、外延生长、周期结构及界面扩散行为影响等。同时研究了CrN和TiN互为晶化模板时的外延生长情况。研究具有不同调制比、不同成分、沉积顺序的短周期薄膜的界面结构和扩散行为。.主要研究结果：得到了单层膜TiN、CrON和AlON的成分及生长速率可控的优化参数，目前已经优化出成分和厚度可控的几种氮化物和氮氧化物，制备出大周期TiN/ZrOxNy外延生长的纳米级超晶格薄膜涂层。摩擦磨损测试结果指出，在压力为2.5N刚玉颗粒的测试情况下，涂层摩擦系数为0.16，耐磨时间超过一小时。制备出了120周期外延生长的TiN/CrOx涂层，最高硬度为28.7GPa，最大弹性模量为310.6GPa。研究得出周期结构中存在的不同沉积顺序界面的扩散反应机理，具体结果为后沉积层氮氧化物沉积在氮化物层上时，氧原子更容易进入先沉积层中，从而使晶化模板层氧化，降低了涂层性能，该扩散机理的发现为后期周期结构涂层的性能改善提供了重要的理论依据。此外，晶化模板层的开发以及不同调制比的研究为后期涂层性能改善和新涂层开发提供重要的思路和理论依据。