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高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层性能研究

关键词：TiAlSiN纳米复合涂层；调制脉冲磁控溅射；结构带模型；断裂韧性；热导率；维氏压痕；瞬态热反射

      TiAlSiN纳米复合涂层作为新兴高硬涂层具有高硬度、良好的耐磨抗疲劳和高膜基结合等性能，可提升工件工作效率和服役寿命。但其韧性和热传导性能的研究还涉及较少。本文采用闭合场非平衡高功率调制脉冲磁控溅射（Modulated pulsed power magnetron sputtering, MPPMS）技术，在单晶Si(100)基底上，通过改变放电峰值功率基底负偏压，沉积不同结构特征TiAlSiN纳米复合涂层。研究了TiAlSiN涂层结构、断裂韧性和热导率的变化，分析了TiAlSiN涂层强韧性能和热传导性能的变化机理。

      通过改变放电峰值功率和基底偏压，TiAlSiN涂层的微观结构分为两种：Thornton区域结构模型中I区的贯穿柱状晶结构和致密无缺陷的T区结构，涂厚度范围为2.4-1.8 μm，晶粒尺寸为18-6 nm，硬度范围为23.6-37.5 GPa。采用维氏压痕法和瞬态热反射技术检测了TiAlSiN涂层的断裂韧性和热导率，范围分别为0.96-3.32 MPa•m^1/2和9.1-2.1 W/m•K。经分析研究，结论为：由TiAlSiN涂层和硅基底的弹性模量比E_f/E_s可知，E_f/E_s<2时涂层维氏压痕形貌为放射状裂纹，E_f/E_s>2时涂层压痕形貌为画框状裂纹，E_f/E_s约为2时涂层无裂纹断裂韧性最高。声子导热才是影响涂层传热的主要因素，声子导热由涂层结构决定，即微观结构和纳米尺寸。I区柱状晶结构的贯穿性造成了热声子垂直传递导致涂层热导率较高，致密T区结构的晶粒细化引起的晶粒间界面密度增加，增强了热声子穿过涂层时散射效应，有效的降低了涂层热导率。