摘要
CrAlN薄膜因为具有高硬度、良好的耐磨性能以及优异的高温抗氧化等性能，得到了广泛的关注，并已经成功应用在了刀具、模具、航空等许多领域。但是随着科技的发展，对膜层的性能要求也变得越来越高。本论文主要研究 Y、Si元素的加入对CrAlN薄膜性能的影响。 采用磁控溅射技术，在高速钢基材上沉积不同Y含量的CrAlYN薄膜，不同Si含量的CrAlSiN薄膜以及CrAlSiYN薄膜，并进行了大气和真空高温热处理实验。通过SEM、EDS、XRD以及纳米压痕仪等设备对薄膜元素组成、纳米硬度、弹性模量以及热处理前后的表面形貌和物相结构进行了表征。分别研究了 Y、Si元素对薄膜硬度、弹性模量、物相组成、高温抗氧化性能以及热稳定性能的影响。 加入Y后薄膜没有新的物相形成，但是（Cr，Al）N相的衍射峰取向由（200）向（111）转变。与CrAlN膜层相比，CrAlYN薄膜Y含量为0.41at.%时膜层的硬度、弹性模量和高温抗氧化性能显著改善，Y含量2.75at.%和3.94at.%时，膜层的综合性能有所降低。大气高温热处理后的CrAlYN膜层，O、Cr、Al、Fe和Y等元素均在晶内均匀析出，但是在晶界和岛状大颗粒处，O富集而贫Al和贫Fe。 CrAlSiN薄膜，硬度模量在Si含量为7.18at.%时，相对较优。CrAlSiN薄膜，800℃没有氧化痕迹，抗氧化性能良好。900℃，出现Cr2O3和Al2O3氧化物，膜层发生氧化。1000℃膜层隆起，膜层与基体结合力减弱，存在大量的Fe2O3相和少量的Cr3O相，氧化严重。 利用 Cr30Al70合金靶制备的 CrAlSiYN薄膜的硬度模量远低于 CrAlSiN和CrAlYN薄膜，利用Cr50Al50合金靶制备的CrAlSiYN薄膜的硬度模量相比于利用Cr30Al70靶制备的CrAlSiYN薄膜有了很大提高，但是与CrAlSiN和CrAlYN膜层相比，硬度模量并没有得到明显改善。CrAlSiYN薄膜的高温抗氧化性能也没有提升，1000℃时，已经完全氧化失效。经850℃真空热处理后，热稳定性能良好，真空热处理温度升高到950和1050℃时，薄膜表面出现网状裂纹。1050℃时膜层表面呈现出沙粒状向外鼓出的形貌。
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