硬韧兼俱的CrBN-Ni/Cu纳米复合薄膜构筑及其摩擦学性能的研究

Due to the urgent requirement of excellent wear-resistant coatings for surface protection of mechanical component and the insufficient toughness of CrBN hard coatings, this project proposes to incorporate tough metal Ni and Cu into CrBN coatings to obtain hard yet tough CrBN-Ni/Cu nano-composite coatings based on a favorable synergy of their advantages, and ultimately realize a long-term, effective and steady protection effect on the surface of mechanical component. This project will systematically investigate the relationship among the microstructure, mechanical properties, and unlubricated tribological properties of CrBN-Ni/Cu nano-composite coatings to reveal the toughening mechanism of Ni and Cu incorporations, and propose the design principle for hard yet tough CrBN-Ni/Cu nano-composite coatings. Besides, this project will clarify the influence of hardness and toughness on the friction and wear mechanisms of CrBN-Ni/Cu nano-composite coatings, and build the correlation map among the hardness, toughness and wear rate of CrBN-Ni/Cu nano-composite coatings. This project will intensively promote the application of CrBN hard coatings in the protection area of mechanical component, and provide theoretical and technical guidance for inventing new type of hard yet tough and wear-resistant coatings.

鉴于机械零件表面对高性能耐磨涂层的迫切需求，本项目以CrBN硬质薄膜为切入点，针对其韧性差、易碎裂的不足，提出通过韧性金属Ni、Cu掺杂，实现硬质薄膜与韧性金属二者优势的有机结合，获得硬度和韧性俱佳的CrBN-Ni/Cu纳米复合薄膜，最终实现机械零件表面长期、有效、稳定的耐磨防护目的。本项目将系统地研究CrBN-Ni/Cu纳米复合薄膜微观结构、力学性能与其干摩擦性能间的内在联系，揭示Ni、Cu掺杂对CrBN硬质薄膜的韧化机理，提出硬韧兼俱CrBN-Ni/Cu纳米复合薄膜的设计准则，并阐明硬度、韧性对CrBN-Ni/Cu纳米复合薄膜摩擦磨损行为的影响机制，构建CrBN-Ni/Cu纳米复合薄膜硬度、韧性、磨损率的相互关联图。本项目的实施将有力推动CrBN硬质薄膜在零件表面防护领域的应用，并为研发新型硬韧兼俱的耐磨性薄膜提供理论和技术指导。

鉴于机械零件表面对高性能耐磨涂层的迫切需求，本项目以CrBN硬质薄膜为切入点，针对其韧性差、易碎裂的不足，提出通过韧性金属Ni、Cu掺杂，分别开展了金属Ni掺杂、金属Cu掺杂以及金属Ni/Cu共掺对CrBN硬质薄膜微观结构、力学性能、断裂韧性及干摩擦性能影响的研究工作，研究发现：.1）虽然金属Ni掺杂降低了CrBN硬质薄膜的硬度，但是同时改善了CrBN硬质薄膜的韧性和塑性变形能力，特别是Ni含量为7.28at.%时，CrBN-Ni-0.8薄膜依旧具有31.7GPa的高硬度，而其塑性变形能力相对CrBN薄膜提高了10.0%，使得硬韧兼俱的CrBN-Ni-0.8纳米复合薄膜表现出最低的摩擦系数0.48和最低的磨损率5.14×10^-7mm^3/Nm；.2）虽然金属Cu掺杂降低了CrBN硬质薄膜的硬度，但是同时改善了CrBN硬质薄膜的韧性和塑性变形能力，特别是Cu含量为3.70at.%时，CrBN-Cu-0.4薄膜依然具有31.4GPa的高硬度，而塑性变形能力相对CrBN薄膜则提高了16.0%。同时因为掺杂的Cu在摩擦过程中生成的CuO润滑层，使硬韧兼俱的CrBN-Cu-0.4纳米复合薄膜表现出最低的摩擦系数0.36和最低的磨损率6.09×10^-7mm^3/mN；.3）当Ni和Cu元素含量分别为11.01at.%和3.41at.%时，CrBN-Ni-1.6-Cu-0.4薄膜展现出最高的硬度26.4GPa、较低的摩擦系数0.28以及最低的磨损率5.40×10^-7mm^3/Nm。然而当Cu元素含量超过Ni元素含量后，CrBN-Ni-Cu薄膜的硬度急剧下降，摩擦系数和磨损率相应升高。.通过以上研究提出了CrBN-Ni/Cu硬韧兼俱的设计准则：韧性金属Ni、Cu掺杂量须要保持CrBN-Ni/Cu薄膜的硬度在30GPa以上，同时提高CrBN-Ni/Cu薄膜的韧塑性，从而强化CrBN-Ni/Cu薄膜的耐磨性；此外，构建CrBN-Ni/Cu纳米复合薄膜硬度、韧塑性、磨损率的相互关联图，高硬度、低塑性或高塑性、低硬度的组合都会导致薄膜的高磨损率，只有高硬度、高塑性的优化组合才能保证CrBN-Ni/Cu薄膜的低磨损率。本项目的结果可进一步改善CrBN硬质薄膜在零件表面的防护能力，并为研发新型硬韧兼俱的耐磨性薄膜提供理论和技术指导。