汽车用316L不锈钢表面磁控溅射TaN涂层组织及耐磨性能分析

为了提高汽车用316L不锈钢表面磁控溅射TaN涂层的耐磨性能,研究分析了不同N2流量下TaN涂层的组织和性能。结果表明:通入的N2流量很小时,形成的TaN涂层表面相对粗糙,形成了“山脊状”的团聚颗粒;N2流量为5 mL/s时,形成的TaN涂层表面相对平坦,具有“菜花状”的小尺寸团聚晶簇。随着N2流量的上升,将使吸附原子的活性减小,由于(110)晶面属于bcc结构的密排面,对应的能量最低,这使得(110)晶面可以包含更多低能量原子。当N2流量升高后,涂层内N掺杂浓度更高,使得涂层的硬度与弹性模量都增大,涂层获得更优的耐磨性。通入N2后,所有TaN涂层比不通入N2得到的涂层的磨损率明显减小,磁控溅射过程掺杂N元素后涂层的耐磨性更佳。

过渡金属掺杂TaN硬质涂层的力学性能和电子结构的第一性原理研究

通过第一性原理计算,研究过渡金属(transition metal,TM)元素掺杂氮化钽(Ta7TMN8,TM=Ti、V、Cr、Y、Zr和Hf)的结构稳定性、力学性能和电子结构。根据对结构和稳定性的计算结果可知,所有的掺杂化合物均能量稳定,Ta7TiN8在能量上比其他掺杂化合物更有利;Y、Zr和Hf的掺入使得TaN晶格和体积膨胀,而Ti、V和Cr则相反。通过对力学性能的计算可知,Ti和V的掺入对TaN的剪切模量、弹性模量和理论硬度有较明显的提升,掺Cr对TaN的体积模量有一定的提升,但是会大幅降低理论硬度。基于Ta7TMN8总态密度和分态密度计算结果,费米能级附近存在态密度,表明所有化合物都具有金属性质,由于Ti-3d、V-3d和Cr-3d轨道在费米能级上的贡献比其他TM原子大得多,使得Ta7TiN8、Ta7VN8和Ta7CrN8具有更高的金属性。