纳米晶/金属非晶复合涂层的强韧性能及机理分析

纳米微结构陶瓷涂层的韧性成为限制涂层应用的瓶颈。具有高硬度和高韧性的新型超硬涂层是未来最具有工程应用价值的涂层材料体系。本项目以飞机发动机压气机钛合金叶片的冲蚀问题为研究背景，以ZrN基多元复合纳米涂层为对象，以提高硬质涂层的强韧性能为目的，拟采用磁控溅射技术制备nc-ZrAlN/a-Cu纳米复合涂层。优化工艺参数，调整纳米复合涂层的微观组织结构，采用先进微观分析技术表征界面微观结构，研究纳米晶、金属非晶及相界面结构的设计对涂层力学性能影响规律，阐明纳米晶/金属非晶复合涂层具备强、韧性能的机理。通过强度与韧性的合理匹配，制备强度高、韧性好的抗冲蚀性能优异的纳米复合涂层。

优化工艺参数制备掺杂适量Al、Cu的ZrAlCuN薄膜，获得了具备硬、韧性能薄膜的成分范围，即Al含量不超过其在ZrN中的固溶度（<35at%Al），Cu含量<5at%Cu。调控ZrAlCuN薄膜的微观组织结构，研究了ZrAlN、ZrCuN、ZrAlCuN薄膜的微观结构与强韧性能的对应关系，归纳了强韧化机理，建立了强韧薄膜微观结构模型。研究聚焦在Al和Cu不同掺杂效应上。在Zr-Al-N系统与Zr-Cu-N系统中，Al和Cu掺杂效果的不同可以归因于Al-N与Cu-N结合能的巨大差异。具体地说，Al元素与N元素结合成Al-N，而Cu不与N结合。强韧化一个机理是固溶强化。本课题中直到35at%Al仍可以固溶到ZrN中，47at%Al超过Al在ZrN中的固溶度。Cu掺入ZrN后，部分Cu固溶到ZrN晶格中，但Cu倾向于Cu-Cu结合，以独立的单质相存在。 强韧化的主要机理是掺杂导致微观组织结构变化。首先Al与Cu掺杂调控组织结构存在显著差异。随着向ZrN薄膜中掺杂Al元素含量的增加(5at%~35at%)，柱状晶特征逐渐明显。当Al含量超过其在ZrN中固溶度后，薄膜的柱状晶特征消失，薄膜变得疏松，不均匀。Cu掺杂对ZrN晶粒的细化作用比Al更加剧烈，2at%的Cu就能够强烈的抑制晶粒的生长，薄膜的晶粒细化成纳米尺度的柱状晶。2at%~13at%Cu含量的薄膜都是柱状晶紧密排列组成的致密结构。柱状晶的尺寸在十几个纳米到几十个纳米之间。其结构的特征主要决定于Cu含量而不是Al含量。其次，Al、Cu掺杂ZrN薄膜的特殊结构是获得强韧性能的原因。具备强韧性能ZrAlCuN薄膜微观结构模型是：由纳米晶粒(10~20nm)与非晶晶界(约1~3nm)以及晶粒内部的微小Cu团聚组成的纳米复合结构。部分Cu元素分布于晶粒的内部，其中一部分以固溶形式存在，另外一部分Cu元素团簇在一起，在晶粒内部形成Cu元素富集的小区域。该富Cu区域的存在，使得纳米晶粒在外力作用下产生应力集中时，可以通过Cu富集区域的塑形变形消除应力集中，微观应力集中不会累加，避免了应力集中产生微观裂，从而提高了薄膜的韧性。具备特殊强韧化结构的ZrAlCuN薄膜能够很好的抵抗不同攻角的微粒冲蚀作用，并在<800℃高温下保持结构稳定。采用显微硬度压入法、拉伸法、多冲法等，定量地评价硬质薄膜的韧性。