超硬金屬氮化物納米多層膜界面微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代加工業(yè)的進(jìn)步和金屬切削工藝的發(fā)展,日益苛刻乃至極端惡劣的服役環(huán)境對刀具、工具和模具等的性能和壽命提出了越來越高的要求,如超高的硬度、耐磨性、耐熱性、足夠的韌性、強(qiáng)度和壽命等。表面涂層是實現(xiàn)上述要求的經(jīng)濟(jì)有效實用的方法,尤其是超硬納米氮化物多層膜既可有效地延長切削刀具的使用壽命、同時其可設(shè)計性又可大大提高其工程適用性。隨著多層膜制備技術(shù)的改進(jìn),多層膜的種類日趨多樣化,從單一的金屬氮化物到二元和多元氮化物涂層。而多層膜在從單元向多元

2、發(fā)展的同時,單層的厚度也越來越薄,逐步趨向于納米化,導(dǎo)致同等厚度多層膜所含的界面增多。由于納米多層膜可以通過人工設(shè)計的特殊微結(jié)構(gòu)獲得高硬度和優(yōu)異的綜合性能,因此對其界面性質(zhì)的研究有著至關(guān)重要的作用。本文從原子尺度分析超硬納米氮化物多層膜的界面力學(xué)性質(zhì),主要工作如下:
　　(1)以常見TiN/VN多層膜為研究對象,在原子尺度上,考慮TiN與VN表面不同的終端類型,建立了36類可能存在的TiN/VN界面模型,并利用界面粘結(jié)能得到了界面

3、原子的最優(yōu)堆垛方式。進(jìn)而采用多種解析方法,如平面-平均電荷密度差分圖、局部態(tài)密度(PDOS)和電荷密度和差分圖等,確定了界面鍵合特性為離子鍵和少量共價鍵,在TiN/VN多層膜中,晶體結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)在界面平滑過渡,表明界面結(jié)合十分良好、清晰。
　　(2)在多層膜制備的過程中,可能由于不可避免的原因引入雜質(zhì)或人為的添加某些合金元素,由此對多層膜的性質(zhì)產(chǎn)生影響。而界面在多層膜變形機(jī)制中起到了十分重要的作用,尤其是納米多層膜中界面對其超硬

4、現(xiàn)象具有關(guān)鍵的作用。本文從原子角度分析了常見合金元素Al、Cr、Mo、Nb、Sc、Ta、Y以及Zr摻雜對TiN/VN界面結(jié)構(gòu)、界面粘結(jié)能等的影響。結(jié)果表明Al、Nb、Zr對界面粘結(jié)能影響不大,Sc可使界面粘結(jié)能略微增加,而Cr、Mo、Ta和Y會降低TiN/VN的界面粘結(jié)能。利用多種解析方法分析了上述雜質(zhì)的作用機(jī)理并確定了界面鍵性。研究表明以上摻雜元素均未改變界面原子的堆垛方式及鍵性,即在摻雜的多層膜中,界面仍然平滑過渡且界面鍵仍然為離子

5、鍵和部分共價鍵,多層膜界面依然清晰且結(jié)合良好。
　　(3)在對TiN/VN多層膜界面特性以及合金元素?fù)诫sTiN/VN界面分析的基礎(chǔ)上,得到界面結(jié)合良好的證據(jù)。進(jìn)而從線彈性力學(xué)的基本方程出發(fā),以多層膜制備后相鄰層的晶格常數(shù)失配為主要因素,預(yù)估了TiN/VN以及TiN/CrN多層膜的殘余應(yīng)力,與已知實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,分析了差異及其原因。分析表明所提模型能夠合理預(yù)估殘余應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上,討論了多層膜相鄰層厚度比、彈性模量比等對殘余應(yīng)力

6、的影響。結(jié)果表明對于過渡金屬氮化物多層膜,相鄰層的晶格失配是造成極大局部殘余應(yīng)力的關(guān)鍵因素。
　　(4)以TiN涂層及TiN/CrN多層膜為研究對象,考慮殘余應(yīng)力的影響計算了原子尺度下的粘結(jié)能,并將此能量用于宏觀有限元cohesive單元中,很好地再現(xiàn)了TiN涂層壓痕實驗中裂紋的形核及擴(kuò)展行為,表明殘余應(yīng)力是影響粘結(jié)能的關(guān)鍵因素,進(jìn)而采用多種解析方法從原子尺度分析了其影響機(jī)理。隨后從原子尺度模擬了TiN及TiN/CrN多層膜的單向

7、拉伸行為,得到其理想拉伸強(qiáng)度;分析了TiN/CrN多層膜拉伸過程中應(yīng)力出現(xiàn)跌落的原因,認(rèn)為此去、跌落可歸因于CrN層中N原子的滑移。
　　(5)采用在TiN表面上依次吸附Al及N原子的方式,模擬AlN在TiN表面的生長,通過吸附層AlN原子排列的變化來研究TiN/AlN多層膜中模板效應(yīng)。從吸附能和AlN晶體結(jié)構(gòu)方面分析了AlN結(jié)構(gòu)的變化,證實當(dāng)AlN厚度達(dá)到約0.6nm時,AlN從以TiN的A-B-C-A-B-C…的排列方式轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>