氮化物基智能纳米结构复合薄膜的设计及力学与摩擦学性能研究

发布时间：2018-04-24 18:01

本文选题：过渡族氮化物 + 微观结构　；参考：《江苏科技大学》2016年博士论文

【摘要】：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。对过渡族金属氮化物的研究大多集中于ⅣB、ⅤB和ⅥB族这三族当中,并向多元化、智能化等方向发展,以期能够研发一种宽温域条件下均具有低摩擦系数和低磨损率的多元智能薄膜,使其适应诸如高效加工、高温加工等领域日益严苛的服役需求。本文以ⅣB、ⅤB以及ⅥB族中的TiN、Nb-N和Mo-N薄膜为研究对象,以提升宽温域条件下薄膜综合自适应性能为目标,通过添加Si等元素提升薄膜力学以及室温摩擦磨损性能;并在此基础上,引入Magnéli相代表元素Mo、V以及贵金属元素Ag改良薄膜高温摩擦磨损性能。旨在优化现有薄膜设计准则,研发一种宽温域条件下均具有良好摩擦磨损性能的新型过渡族金属氮化物体系。主要结果如下:Al被引入三种不同族的氮化物薄膜中,制备了一系列不同Al含量的Ti-Al-N、Nb-Al-N以及Mo-Al-N薄膜以期改善薄膜力学及摩擦磨损性能。对于ⅣB、ⅤB族中的Ti-Al-N、Nb-Al-N薄膜,当薄膜中Al含量低于50 at.%时,Al置换了氮化物晶格中的Ti或者Nb形成置换固溶体,由于固溶强化作用,薄膜力学性能得到提升;当Al含量高于50 at.%时,薄膜出现具有较低硬度的六方(hcp)结构AlN,力学性能逐渐降低。对于ⅥB族Mo-Al-N薄膜,薄膜具有面心立方(fcc)结构,由于固溶强化和晶粒粗化的相互作用,薄膜硬度随Al含量升高先升高后降低,硬度最大值为33 GPa(Al含量3.7 at.%)。对于Ti-Al-N、Nb-Al-N以及Mo-Al-N薄膜,一定含量的Al能够提升薄膜抵抗塑性变形能力,减少磨痕表面裂纹数量,缓和摩擦副与磨痕之间的相互作用,使得薄膜室温摩擦磨损性能得到提升。然而,由于在高温环境中磨痕表面生成硬质氧化铝,加剧了摩擦副与磨痕之间的相互作用,薄膜高温摩擦磨损性能没有得到提升。Al在高温环境下有向薄膜表层扩散趋势,生成致密的Al2O3保护层,从而提升薄膜的高温抗氧化性能。选取元素Si提升薄膜力学性能和室温摩擦磨损性能,在保证薄膜室温摩擦磨损性能的基础上,引入Magnéli相代表元素Mo、V制备Ti-Mo-Si-N以及Nb-V-Si-N薄膜,提升宽温域条件下薄膜综合自适应性能。Si的固溶能够在一定程度上提升薄膜硬度、断裂韧性以及室温摩擦磨损性能。然而过高的Si含量会超出薄膜固溶极限,生成非晶Si3N4,使力学和摩擦磨损性能降低。Magnéli相元素置换了氮化物晶格中的Ti或者Nb形成置换固溶体,固溶强化能够在一定程度上提升薄膜硬度。由于该类元素能够增加薄膜位错钉扎,从而提高薄膜断裂韧性,进而提升薄膜的膜基结合力。在室温以及高温环境下,薄膜磨痕在摩擦副的作用下能够与环境中的氧以及水汽发生化学反应,生成具有较高离子电势的润滑氧化物,从而降低薄膜的平均摩擦系数。然而,该类氧化物大多具有层状结构,具有多个滑移系,在摩擦磨损试验过程中易于被摩擦副磨损,所以Magnéli相元素在室温以及高温环境下能够有效的减磨,但是耐磨性能不佳。为改良薄膜宽温域下摩擦磨损性能,将贵金属Ag引入氮化物薄膜中,研究了Ag对薄膜微观组织以及摩擦磨损特别是宽温域范围内摩擦磨损性能的影响。利用第一原理计算以及摩尔反应焓等理论,讨论了Ag在氮化物薄膜中的形成机理。由于过渡族金属与N具有较高的化学亲和性,过渡族金属氮化物会在衬底的缺陷处率先形核,并以柱状晶形式长大,随后Ag在TiN柱状晶缺陷处形核,最终在宏观上呈现出Ag以纳米晶镶嵌在金属氮化物柱状晶边界处的微观结构。由于Ag具有优异的润滑性能,含Ag氮化物薄膜,特别是高Ag含量的氮化物薄膜在宽温域条件下均能体现出良好的摩擦磨损性能。此外,本文还研究了稀土元素Y对过渡族金属氮化物薄膜微观结构和性能的影响。结果表明,Y置换了氮化物晶格中的Ti或者Nb形成置换固溶体,由于固溶强化作用,薄膜硬度略有升高。Y能够升高薄膜高温抗氧化性能。由于Y的引入能够降低薄膜磨痕表面氧化物含量,从而降低了薄膜的磨损率。
[Abstract]:A novel transition metal nitride system with low friction coefficient and low wear rate has been developed in order to improve the mechanical properties and wear resistance of thin films . In order to improve the friction and wear properties of the film at room temperature and high temperature , it is possible to improve the film hardness , fracture toughness and friction and wear properties of the film .

【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2

【参考文献】