摘要
过渡金属氮化物作为具有高硬度的材料家族被广泛用作耐磨防护涂层，但其本质脆性限制了它们在极端载荷条件的承载性能和应用场景的推广，而理解其塑性变形机制是改善其脆性的前提。本文基于电弧离子镀技术的制备手段，分别选择代表本征高脆性和低脆性的Cr-Al-N和Ti-Mo-N基三元体系，系统地研究了沉积工艺、成分与结构和力学行为的内在关系，重点分析了两种代表体系的跨尺度力学行为，并揭示了决定涂层宏观力学性能的微观晶界塑性机制。 CrAlN涂层由于具有高本征脆性，变形过程中在难以观察到塑性流动，晶界滑移容易导致开裂，裂纹宽度大、路径平直，呈现出典型的脆性行为。虽然存在少量的变形孪生和应力诱导fcc-hcp转变，但对其韧性的改善作用微弱。因此CrAlN涂层普遍应变速率敏感度（strainratesensitivity,SRS）m值呈现出负值。降低N含量令涂层的金属性提升从而获得的正的m值，但同时硬度大幅下降，失去应有的承载性能。通过提高沉积时偏压可以提高涂层残余压应力，阻碍晶界滑移，从而增强硬度和耐磨性，但同时也引入了更多的晶格缺陷，增加涂层的穿晶开裂风险，如此方式所致的压应力提升效果有限。相对地，在高离化率、高温条件中沉积的CrAlN涂层经历完整的形核、生长和熟化过程，形成具有低晶格缺陷密度以及高残余压应力的柱状晶结构。这样的结构穿晶开裂的风险极低，而高压应力对晶界滑移起到强力的阻碍，使涂层具有超高硬度和承载能力，从而具有罕见的正的m值。 含Mo体系作为理论预测的本征韧性体系，其性能和机制均有待厘清。在前期对TiMo8N涂层的系统研究的基础上，本文在不同氮气气压下制备了Mo含量更高的TiMo27N涂层，研究工艺、组织结构和力学性能关系，重点分析TiMo8N和TiMo27N的微观变形机制。研究表明，由于散射丢失造成Mo含量的损失。Mo的添加促进体心四方(bct)相的形成，所有TiMo27N涂层均形成fcc+bct双相结构。在散射丢失和热力学能共同驱动下，Ti和Mo在纳米尺度上形成层状偏析。Mo的加入形成显著的固溶强化，TiMo27N涂层的硬度(28.1-35.4GPa)远大于TiN涂层(23GPa)。但层状偏析造成实际Mo在TiN晶格的固溶度下降，涂层的硬度低于预期，与低Mo含量的TiMo8N相当。bct相的存在降低了TiMo27N涂层的承载能力;而更高Mo含量产生了更显著的固体润滑效应，摩擦系数和磨损率均低于TiMo8N涂层。在变形过程中，TiMo8N和TiMo27N涂层晶格的全位错和不全位错均被有效激活，形成亚晶界运动、几何必须的晶界弯曲和变形孪生的位错机制，TiMo27N涂层还存在应变诱导非晶化机制。这些机制提供了显著的韧化效果，验证了理论预测的力学行为。 通过改变乙炔流量，研究不同含量C的加入对TiMo27CN涂层的组织结构和力学行为的影响。C的加入提高沉积速率，促进Ti-N和Mo-C的相分离。随着C含量的提高，Ti和Mo的层状偏析加剧，涂层晶粒细化，结构从柱状晶向非晶+等轴晶演变，并伴随着bct相和fcc相的(111)取向逐渐消失；硬度、韧性、承载能力和耐磨性均先升后降，其中硬度先升高到最高的37.6GPa，随后降到最低的30.9GPa，低于TiMo27N涂层。C含量最低19.56mol.%时，TiMo27CN涂层形成了特有的高度平行生长的柱状晶、三维晶界和稳定晶界微裂纹结构，具有陶瓷材料中罕见的多尺度塑性机制，包括本征低脆性（位错介导机制）、三维晶界强韧化、平行晶界模板效应和应变诱导非晶化。多种机制及其协同效应令变形时晶界形成有效的塑性，钝化裂纹尖端，阻碍其扩展，令晶界裂纹在变形组织依然稳定存在，涂层具有高韧性，m值为正。而C含量为34.95mol.%时，相分离形成的非晶相厚度大于主剪切带，容易诱发应力集中令变形失稳，导致显著的软脆化效应，m值为负，硬度和韧性同步恶化。
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