氮化铌铝/氮化硅双相复合涂层超硬机制和热稳定性研究

By controlling the conditions of reaction kinetics and thermodynamics of spinodal phase separation of Nb-Al-Si-N system, two-phase nanocomposite coatings composed of nc-(Nb,Al)N and a-Si3N4 will be formed during the coating deposition process. Element O is designed to added to the coatings in order to clarified to the chaminism of the formation of nano-compound stucture. A small amount of yttrium will be introduced into the crystalline boundaries of (Nb,Al)N and Si3N4 to modulate the structure and strain energy of the boundaries. And thus crystalline size will be adjusted and harness and toughness of the coating will correspondinly be changed. Through the comparison and analysis of the differences of micro structures, mechanical properties and thermal stability between (Nb,Al)N/Si3N4 an Y-doped (Nb,Al)N/Si3N4, The relationship between composition, structure, hardness, toughness and thermal stability of the coatings will be established. And the superhardness effect, toughening mechanisms and thermal stability mechanisms will be clarified. And this will provide theoretical guidance and experimental basis for the development of high-performance superhard coatings for micro-drill used in manufacture of printed circuit board.

本项目拟利用Nb-Al-Si-N体系的热力学特性，通过控制沉积过程中原位发生spinodal相分离的热力学和动力学条件，在涂层生长过程中自组装形成纳米晶氮化铌铝植入非晶氮化硅的稳定双相复合结构；通过对涂层中可能影响双相复合结构形成的O含量的调控，澄清纳米复合结构的形成机制；并通过在体系中添加少量不固溶于氮化铌铝和氮化硅的稀土元素Y，改变界面结构和界面应变能，调制晶粒尺寸、硬度和韧性；通过对涂层微观结构（相组成、晶粒尺寸、界面结构等）分析、力学性能（硬度、应力、韧性、结合强度、耐磨性等）测试及热稳定性（结构稳定性、高温硬度、抗氧化性能、涂层和基体的互扩散）分析，比较添加和未添加O或Y的涂层在微观结构和性能方面的差异，建立组成、结构、硬度、韧性及热稳定性之间的关系，阐明复合涂层的超硬效应、增韧机制和热稳定性机理，为高温稳定的高硬度、强韧性纳米复合涂层的设计、制备和应用提供理论指导和实验依据。

本文采用磁控溅射和电弧离子镀两种技术沉积了(NbAl)N、(NbAlSi)N和(NbAlSiY)N三种涂层，采用场发射扫描电镜(FESEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)、高温氧化炉、显微硬度计、高温摩擦磨损试验机等技术和设备，研究了基体脉冲负偏压和Si、Y掺杂对涂层的成分、相结构、硬度、摩擦性能和抗氧化性能的影响，探索了Si和Y提高涂层力学性能和热稳定性的作用机制。.磁控溅射 (NbAl)N、(NbAlSi)N和(NbAlSiY)N涂层均呈δ-NbN面心立方结构，偏压及Si和Y元素的掺杂并未改变涂层的相结构，但提高了涂层致密度。随着偏压的增加，(NbAlSi)N涂层的维氏硬度先增加再减小，在-200V偏压下涂层硬度达到30.12GPa。Si和Y元素的添加对涂层硬度的提高作用显著。氧化实验表明：负偏压的增加会降低(NbAl)N及(NbAlSi)N涂层的抗氧化性，偏压也会影响(NbAlSiY)N涂层高温下的稳定性。(NbAlSi)N涂层具有比(NbAl)N好的多的抗氧化能力，主要是含非晶氮化硅相(NbAlSi)N涂层不宜发生分解，同时原子通过非晶氮化硅的扩散更加困难。200V负偏压下的(NbAlSiY)N涂层具有最好良好的热稳定性，涂层未发生明显相分离和氧化。. 偏压对电弧离子镀涂层的表面形貌、择优取向、硬度及磨损性能产生重要影响。随着负偏压的增加，涂层表面熔滴数量和尺寸减小、择优取向发生变化,(NbAlSi)N涂层的维氏硬度先增加再减小，在施加300V负偏压的涂层硬度达44.36GPa。加Si和Y元素显著提高涂层硬度，450V偏压下的(NbAlSiY)N涂层硬度接近50GPa。 随着负偏压的增加，涂层的摩擦系数逐渐减小，相同偏压下，随着Si和Y元素的掺杂，(NbAl)N、(NbAlSi)N和(NbAlSiY)N涂层的摩擦系数均依次减小，尤其是在偏压为-450V时，(NbAlSiY)N涂层的平均摩擦系数低至0.31。