磁控溅射沉积硬韧ZrAlN薄膜及薄膜力学性能

目的获得具有高硬度、高韧性的ZrAlN薄膜。方法采用磁控溅射技术在钛合金和单晶Si上沉积不同Al含量的ZrAlN薄膜,对薄膜的微观组织和相结构进行表征,并测试薄膜的硬度(H)、弹性模量(E)和断裂韧性(KIC)。结果当Zr1-xAlxN薄膜x分别为0.05,0.23,0.47,0.63时,对应的硬度依次为24.5,40.1,17.1,19.1 GPa,断裂韧性依次为1.47,3.17,1.13,1.58 MPa·m-0.5。x为0.05和0.23时,Al固溶到ZrN晶粒中,形成NaCl型面心立方(FCC)结构;x为0.47和0.63时,则形成纤锌矿密排六方(HCP)AlN第二相。结论 ZrAlN薄膜的硬度和韧性与相组成密切相关。Al固溶时,ZrAlN的硬度较高,韧性较好;超过固溶极限,形成六方AlN时,ZrAlN硬度较低,韧性较差。相比之下,Zr0.77Al0.23N薄膜同时具备最高的硬度和最高的韧性。

具有高温稳定性的ZrAlN薄膜的合成

干磨可以造成工具表面的温度上升到800～1000℃．因此，能在如此高温度下为切削工具提供保护的膜层已成为研究的热点．ZrAlN由于Al元素的存在可能具有高温稳定的结构和机械性能．用直流磁控溅射的方法合成了ZrAlN薄膜．利用XRD与纳米压痕仪分析了反应气体分压和基底偏压对薄膜结构、机械性能及其高温热稳定性的影响．在最佳条件（基底偏压-37V，N2分压为2×10^-5Pa）制备的ZrAlN薄膜具有平滑的表面且其硬度具有热稳定性．在退火之后，该薄膜的应力由2．2GPa降至0．7GPa．薄膜的高温热稳定性可能与Al2O3和ZrO2晶相的形成有着直接的联系．

磁控溅射ZrAlN薄膜的硬度和断裂韧性

采用磁控溅射技术在钛合金和单晶Si上沉积原子分数x(Al)分别为5%、23%、47%、63%的ZrAlN薄膜,并考察了薄膜硬度和断裂韧性。采用场发射扫描电镜观察截面形貌,X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)分析物相结构。采用纳米压入仪进行10 mN加载、卸载试验,分析了薄膜的弹塑性变形特性;采用压入法定量比较了薄膜的断裂韧性。试验发现:原子分数x(Al)分别为5%、23%、47%、63%的ZrAlN薄膜对应硬度分别为24.5、40.1、17.1、19.1 GPa;对应断裂韧性分别为1.47、3.17、1.13、1.58 MPa·m1/2;x(Al)=23%的薄膜保持了ZrN的金属键特性,韧性最好;而x(Al)=47%的薄膜表现强烈离子键特性,韧性最差。XRD表明:x(Al)分别为5%和23%时,Al原子固溶到ZrN晶粒中,保持ZrN立方结构;而x(Al)分别为47%和63%时,形成纤锌矿AlN第二相。