【摘 要】
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同质异构纳米多层涂层是一类有潜力同时兼具硬度和韧性的材料体系,有望克服涂层异质界面价电子的Friedel振荡导致的韧性降低问题。本文采用高功率调制脉冲磁控溅射（Modulated Pulsed Power Magnetron Sputtering,MPPMS）和脉冲直流磁控溅射（Pulsed DC magnetron sputtering,PDC）复合沉积了可同时具有六方Cr2N和立方CrN的Cr
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同质异构纳米多层涂层是一类有潜力同时兼具硬度和韧性的材料体系,有望克服涂层异质界面价电子的Friedel振荡导致的韧性降低问题。本文采用高功率调制脉冲磁控溅射（Modulated Pulsed Power Magnetron Sputtering,MPPMS）和脉冲直流磁控溅射（Pulsed DC magnetron sputtering,PDC）复合沉积了可同时具有六方Cr2N和立方CrN的CrNx纳米结构涂层,分别研究了PDC和MPPMS靶材溅射功率及氮气流量比等工艺参数对CrNx纳米复合涂层的成分和相组成控制,分析微结构和力学性能关联规律,并进一步基于工艺参数分析沉积了不同调制周期的CrN/Cr2N纳米多层涂层,研究了多层结构调制周期对其微结构、力学性能和抗冲击性能的影响规律,取得的主要结论如下:（1）MPPMS和PDC溅射功率对CrNx纳米复合涂层的成分和相结构无明显影响,在氮气流量比为25%时涂层主要由六方-Cr2N组成,择优取向为-Cr2N（11 1）。增加MPPMS和PDC溅射功率,CrNx纳米复合涂层的硬度无明显变化均为20.0 GPa左右,而涂层的致密性明显增强。在500 m N的载荷下通过压痕裂纹评价涂层的断裂韧性,随着MPPMS微脉冲开启时间τon由7μs增加至10μs,涂层的断裂韧性KIC分别从0.2MPa·m1/2增加到12.6 MPa·m1/2。而随着PDC溅射功率的增加,涂层断裂韧性KIC也明显增加。（2）当氮气流量比从15%增加到50%,CrNx纳米复合结构涂层由六方-Cr2N逐渐向立方-CrN转变,其中六方-Cr2N择优取向为-Cr2N（11 1）,立方-CrN择优取向为-CrN（200）,并在氮气流量为35%时,涂层同时出现六方-Cr2N和立方-CrN两相结构。受涂层两相结构的影响,涂层的硬度、模量值取得最大值,分别为20.1GPa、297.3 GPa。在500 m N的载荷下通过压痕裂纹评价涂层的断裂韧性,当氮气流量比fN2=15%时涂层无裂纹产生,当氮气流量比为35%时,受两相结构的影响涂层的断裂韧性取得最大值为5.6 MPa·m1/2。（3）在沉积CrN/Cr2N纳米多层涂层过程中,调制周期的改变对CrN/Cr2N纳米多层涂层的相结构影响不大,涂层相结构主要由六方-Cr2N和立方-CrN组成,择优取向为-Cr2N（11 1）和-CrN（200）。随着调制周期?从50 nm增加到400 nm,涂层的硬度和模量值逐渐减小,并在?=50 nm时涂层硬度和模量取得最大值,分别为20.1GPa和296.6 GPa。而涂层的断裂韧性值KIC先增加后减小,并在调制周期?=100 nm时取得最大值为4.0 MPa·m1/2。相对于单层六方-Cr2N和立方-CrN,CrN/Cr2N纳米多层涂层的硬度、模量和断裂韧性均有明显提高。（4）使用湿喷丸冲击法对CrN/Cr2N纳米多层涂层进行冲击实验,比较调制周期对CrN/Cr2N纳米多层涂层抗冲击性能的影响,调制周期?=50 nm的CrN/Cr2N纳米多层涂层的抗冲击能力最差,而?=400 nm的涂层的抗冲击能力最好。通过对比研究溅射功率和氮气流量比对CrNx纳米复合涂层的成分、相结构、微结构和力学性能的影响,发现溅射功率的增加对涂层的致密性和断裂韧性有明显提高,而同质异构CrNx涂层中的两相结构可以同时提高CrNx涂层的硬度和断裂韧性。对比单层Cr2N、CrN涂层的硬度及断裂韧性和CrN/Cr2N纳米多层涂层的硬度及断裂韧性,发现纳米多层结构可有效提高涂层的硬度及断裂韧性。
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