纳米结构硬质涂层的制备、结构-硬度之间关系及其塑性变形机制研究

This study is aimed at investigating the relationship between microstructure and hardness and plastic deformation mechanisms of nanostructured ZrN-based hard coatings. Nanostructured hard coatings, including nanocrystalline coatings with varying grain size, superlattice coatings with different modulus structure and nanocomposite coatings with various composite structure are fabricated by magnetron sputtering through controlling the deposition parameters and process conditions of heat treatment after deposition. Various surface analysis methods are used to characterize as-deposited coatings to study the influence of microstructure such as grain size, modulus structure and compisite structure on the hardness and establish the relation models between microstructure and hardness of nanostructured coatings. Focused ion beam milling and transmission electron microscopy are used to characterize the evolution of discolations, grains, grain boundaries, phase boundaries, shear bands and micro-cracks after nanoindentation testing, in order to explore the unconventional plastic deformation mechanisms and hardening effects of the nanostructured coatings. These theories will be used to design and prepare the coatings with unique nanostructure to obtain superior mechanical properties and excellent cutting performance, which are both scientific significance and beneficial to industrial applications.

本研究旨在探索ZrN纳米结构硬质涂层的结构-硬度之间的关系及其塑性变形机制。采用磁控溅射技术，通过对沉积过程中各种工艺参数以及沉积后热处理工艺的控制，制备ZrN系列纳米结构涂层，包括具有不同晶粒尺寸的纳米晶粒涂层、不同调制结构的超晶格涂层、以及不同复合相结构的纳米复合涂层。采用现代表面分析测试技术对纳米结构涂层进行表征分析，研究涂层的晶粒尺寸、调制结构以及复合相等微观结构对涂层硬度的影响规律，建立纳米结构涂层结构-硬度关系模型。利用聚焦离子束切割技术以及透射电镜，对位研究纳米压痕测试的塑性变形区域纳米结构涂层的位错、晶粒、晶界、相界面、剪切带以及微裂纹等微观结构演变，阐明纳米结构涂层非常规的塑性变形机制和致硬机理。利用所研究的理论结果指导制备具有独特纳米结构的硬质涂层，以期获得优异的力学性能，提高涂层刀具的切削性能和使用寿命，具有重要的科学意义和工业应用价值。

纳米结构材料因其微观结构独特而导致其物理、化学性能有别于传统块体材料，纳米结构材料构-性关系的研究引起了科学界的极大关注，其中力学性能研究显得尤其重要，成为近年来纳米材料领域的研究热点。针对高速干式切屑加工的苛刻服役环境，本项目研究了ZrN及相关材料纳米结构硬质涂层的结构-硬度之间的关系及其塑性变形机制，优化提升ZrN系列纳米结构硬质涂层的力学及抗氧化性能。采用磁控溅射技术，通过对沉积过程中各种工艺参数以及沉积后热处理工艺的控制，制备了ZrN系列纳米结构涂层，包括具有不同晶粒尺寸的纳米晶粒涂层、不同调制结构的超晶格多层涂层、以及不同复合相结构的纳米复合涂层。采用现代表面分析测试技术对ZrN系列纳米结构涂层进行表征分析，研究涂层的晶粒尺寸、调制结构以及复合相等微观结构对涂层硬度的影响规律，建立纳米结构涂层结构-硬度关系模型。利用聚焦离子束切割技术以及透射电镜，对位研究纳米压痕测试的塑性变形区域纳米结构涂层的位错、晶粒、晶界、相界面、剪切带以及微裂纹等微观结构演变，阐明纳米结构涂层非常规的塑性变形机制和致硬机理。研究结果表明，设计制备纳米复合结构涂层，复合相材料的选择对于涂层力学及抗氧化性能的影响极为关键，引入非晶态或结晶态复合相均有利于细化氮化物涂层的组织结构，从而实现涂层力学性能的强化；适量掺杂活性元Y、Hf及Nb均能提高ZrN系列纳米结构硬质涂层的力学及抗氧化性能；位错滑移及微裂纹的萌生与扩展机制共同导致了二元ZrN纳米结构涂层塑性变形的发生，nc-ZrN/a-Si3N4纳米复合结构涂层的塑性变形机制由位错滑移机制及微裂纹萌生及扩展机制共同主导，对于nc-ZrN/a-Si3N4纳米多层涂层，引入a-Si3N4调制层形成异质界面结构导致涂层在大载荷外力作用下，该异质界面结构对微裂纹萌生与扩展的抑制作用成为纳米多层涂层的主要强化机制。利用所研究的理论结果对指导制备具有独特纳米结构的硬质涂层，提高涂层刀具的切削性能和使用寿命，具有重要的科学意义和工业应用价值。