CrN/AlN超晶格涂层的热稳定性分析



CrN/AlN超晶格涂层的热稳定性分析

CrN（氮化铬）/AlN（氮化铝）超晶格作为汽车部件的保护涂层受到广泛关注。当该种涂层厚度在3nm以下时，如果CrN涂层厚度高于AlN，则AlN涂层出现亚稳立方结构结晶。当CrN/AlN涂层厚度比为2/1、3.5/2、3/3nm时，沉积层硬度最高可达31GPa。然而，这些组合的热稳定性较低。而当CrN/AlN厚度比低于1（CrN比AlN涂层薄），即使在1100℃高温条件下进行退火，沉积层硬度也能够达到24GPa。采用各种退火后，利用透射电子显微镜和X射线衍射仪扫描并显示涂层结构。差示扫描量热法和结构研究表明，涂层的性能主要由含量较高的AlN决定的。相反，CrN/AlN涂层的厚度比大于1时，热稳定性主要由CrN电离决定的，CrN电离出Cr和N2，形成Cr2N。研究结果表明，如果CrN/AlN超晶格的沉积层硬度较高，则涂层热稳定性较低。

研究了厚度为1、2、3nm的AlN层与不同厚度的CrN层进行组合的CrN/AlN超晶格涂层的热稳定性和热力学性能。研究表明，CrN/AlN厚度比大于1时，柱状晶粒的伸长方向通过CrN层和AlN层，涂层中AlN层的亚稳立方结构是稳定的；当CrN/AlN层厚度比低于1（如1.5/2、1/3），涂层中立方结构和纤锌矿结构同时存在，AlN层的亚稳立方结构是不稳定的，因此其纤锌矿结构结晶也不稳定，导致柱状晶生长停止，出现短柱晶和等轴晶形态。特别是，这些超晶格具有较高的热稳定性，没有明显的柱晶界限，可快速扩散。

CrN/AlN涂层的厚度比大于1的超晶格（2/1和3.5/2）具有较高的沉积层抗拉强度值（31GPa），退火后迅速软化，退火温度为1100℃时其抗拉强度降低到10.8GPa。

刊名：Surface&Coatings Technology（英）

刊期：2014年第240期

作者：M.Schlögl et al

编译：王亮