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CrAlN超硬薄膜真空耐磨减阻机理研究

CrAlN薄膜,超硬机理,晶界偏转,真空度,摩擦学性能

外太空钻探机具在实际应用过程中往往伴随着高真空、岩石情况复杂等极端工况，从而导致关键零部件服役寿命急剧缩短，对我国外太空探索战略造成了极大的阻碍。在关键零部件涂覆CrAlN薄膜是延长机具服役寿命，提高装置可靠性的有效保护手段。CrAlN薄膜因具有超高硬度、高耐磨、低摩擦等优点被广泛应用于表面防护领域。本文采用等离子体增强磁控溅射技术制备了CrAlN薄膜，研究了CrAlN薄膜超硬机理之间的相互协调作用，以及模拟真空环境下真空度对薄膜摩擦学性能影响，揭示CrAlN薄膜真空耐磨减阻机理。研究结果如下：

（1）CrAlN薄膜是由Al原子取代Cr原子得到的置换固溶体，Al元素的掺杂会造成晶格畸变，增大位错滑移的阻力，提高了薄膜的硬度，形成固溶强化；Al元素的掺杂造成晶格畸变的同时，也降低了晶格参数，细化了晶粒，单位面积内晶界增多。当位错滑移时，穿过晶界消耗的能量增加。（2）CrAlN薄膜在外力作用下，位错在晶界处大量聚集，形成晶界过渡区域。晶界滑移时，由于塑性变形受到限制，大量位错以位错对的形式堆积在晶界处，同时高密度的位错堆积在晶界处形成了晶界过渡区域。晶界过渡区域通过晶界间的偏转、滑动来协调大晶粒变形，从而提高了薄膜抵抗塑性变形的能力。由于位错滑移困难，部分区域在应力诱导下生成了纳米孪晶，提高了薄膜硬度和韧性，形成孪晶强化。（3）CrAlN薄膜在高真空环境下磨损机制以磨粒磨损为主，摩擦过程中产生的硬质磨粒在摩擦过程中会划伤薄膜以及对磨球并产生犁沟。随着真空度的降低，真空腔内氧含量增加，磨损机制由磨粒磨损为主转变为氧化磨损和粘着磨损为主。CrAlN薄膜与对磨球在摩擦过程中氧化反应增加，促进了氧化磨损。同时在氧化过程中对磨副之间会放出大量热量，加剧了粘着磨损，增大了摩擦系数。