多元素掺杂增韧HfN基薄膜的制备及摩擦学行为研究

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过渡族金属氮化物由于具备高硬度、良好的耐腐性和热稳定性被广泛应用于硬质防护薄膜领域。面对涂覆工件的苛刻服役环境,单一氮化物薄膜常因无法平衡硬度与韧性的关系而断裂失效;针对宽温域减摩耐磨,也难以匹配出合适延展相来提供润滑。本文采用磁控溅射技术,以HfN薄膜为研究对象,通过两种策略调控其结构从而优化力学、摩擦学性能:(1)W、Mo合金化掺杂形成Hf-W-N和Hf-Mo-N互溶三元体系,研究热力耦合作用下摩擦界面润滑膜的形成过程;(2)引入Si原子构建nc-Hf(Mo)N/a-Si3N4纳米薄膜,以期借助非晶基体包裹纳米晶的复合结构实现增硬增韧。结果表明,随着W原子连续固溶进HfN晶格,薄膜始终保持FCC单相结构。Hf0.27W0.73N薄膜在固溶强化作用下获得高硬度(35.3 GPa)、强韧性(3.50 MPa·m1/2)和高H~3/E~2值(0.71 GPa),可有效抵抗裂纹扩展和脆性失效。400℃时摩擦化学反应生成易剪切WO3相,摩擦系数和磨损率低至0.42、8.12×10-6mm~3/N m。不同Mo含量的Hf1-xMoxNy薄膜均保持置换固溶体结构。在x=0.56时薄膜的硬度和H~3/E~2值分别达到36.6 GPa、0.60 GPa,相较于HfN提高62%、147%,抗塑性变形能力显著增强。400℃时磨损表面致密连续的氧化层Magnéli相带来润滑作用,使得摩擦系数和磨损率稳定在0.43、8.06×10-6mm~3/N m。由于具备更强的结构稳定性,600℃时Hf1-xMoxNy展现出优于Hf1-xWxNy薄膜的低摩擦(0.52)和耐磨性(16.1×10-6mm~3/N m)。在研究Hf-Mo-N薄膜的基础上继续掺杂Si原子,单相固溶体转变为nc-Hf(Mo)N/a-Si3N4复合结构。在固溶强化、细晶强化和界面强化协同作用下,5.4 at.%Si含量的薄膜获得高硬度(38.6 GPa)和高H~3/E~2值(0.73 GPa),断裂韧性(3.60 MPa·m1/2)的增强依赖于一定厚度非晶层可阻碍裂纹扩展。高硬和高韧使薄膜实现低摩擦系数(0.37)和磨损率(1.8×10-6mm~3/N m)。
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