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CrN涂层与Fe基体结合性和机械性能研究

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Fe基合金是工业应用中主要的基体材料，当其在高温高压、腐蚀性气体和液体存在等恶劣环境下使用时，其表面不仅要承受一定的载荷，而且还要具有一定的耐腐蚀性能[1]。CrN具有高韧性、抗高温氧化性、耐磨性和抗腐蚀性良好，结合强度高、内应力低等优良性能而被广泛应用[2]。因此，本文研究CrN涂层与Fe基体间的结合性，为CrN涂层在Fe基合金表面应用提供理论依据。
采用阴极电弧离子沉积设备制备CrN薄膜。采用X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对CrN薄膜的相组成和表面形貌进行分析表征。采用CSM tribometer 摩擦磨损试验机对薄膜的摩擦磨损性能进行分析表征，对磨痕进行白光共聚焦和扫描电子显微镜观察。采用CSM Xpress快速划痕测试仪对薄膜的结合力进行测试。采用Bramfitt二维晶格错配度理论对Fe和CrN低指数晶面的错配度进行了计算。采用第一性原理研究了Fe(100)表面，CrN(100)表面以及Fe(100)/CrN(100)界面的性质。此外，还计算其界面的界面结合功(Wad)、界面能(γ)以及电子结构和键合性质。
实验结果表明，XRD曲线如图1所示，曲线中既出现了CrN的衍射峰，也出现了Cr2N的衍射峰，这主要和N2气流量相关；相对于CrN来说，角度在36.12°和43.54°时，峰的强度较高，此时对应于面心立方相的CrN(111)和CrN(200)。通过比较发现CrN薄膜表现出较强的(200)择优取向。
从划痕的微观形貌如图2所示，可以看出薄膜薄膜剥落分为两个阶段。当载荷较低，划痕内部光滑，随着载荷增大，划痕内薄膜上开始出现少数裂纹，此时的载荷达到薄膜内聚失效的临界载荷，在这一阶段薄膜的破坏形式主要是轻微塑性变形，因此划痕宽度较窄；当载荷较高，压头划过后，因弹性恢复引起源于表面的规则横向裂纹，裂纹逐渐变密且方向变得不规则，直至划痕内部薄膜开始出现大片剥离，划痕宽度明显变宽，划痕边界薄膜有局部小片剥落的现象。
计算结果表明：在Fe/CrN界面中，Fe(100)/CrN(100)之间的错配度最小，为3.78%，可近似看作共格界面，晶格匹配良好。根据界面的堆垛顺序建立了两种界面模型，并且通过表面能收敛测试，确定了界面模型搭建和相关计算所用表面模型为13层的Fe(100)表面模型、13层的CrN(100)表面模型。通过计算所得界面结合功和界面能对界面稳定性排序如下：Fe-Cr>Fe-N。其中，Fe-Cr界面的界面结合功最大，为1.065 eV/Å2；界面能最小，为1.051eV/Å2。这表明Fe-Cr界面在两种界面中是最稳定的。其次，通过对两种界面模型的Fe-Cr界面模型进行拉伸和剪切模拟如图3所示，结果发现薄膜的厚度与结合性有很大关系，CrN存在一个最佳厚度(5 Å)，使得它与基体的结合性最强。