1.7.2课题的研究内容 11

第二章薄膜的制备与表征 11

2.1引言 11

2.2薄膜的制备原理与实验设备 12

2.2.1薄膜的制备工艺 12

2.2.2薄膜制备原理 13

2.2.3薄膜制备设备 13

2.3薄膜的表征 14

2.3.1X射线衍射分析 14

2.3.2扫描电镜分析 15

2.3.3纳米力学综合测试 15

2.3.4摩擦磨损 16

第三章实验及结果分析 16

3.1实验 16

3.1.1制备薄膜样品 16

3.1.2纳米复合薄膜的表征 17

3.2实验结果与讨论 17

3.2.1微结构 17

3.2.2显微硬度 20

3.2.3室温摩擦磨损性能 22

结论 23

致谢 23

参考文献 24

第一章绪论

1.1引言

21世纪以来，随着机械加工工艺和的不断向前发展，刀具的工作情况变得越发艰难，并有高转速、高切削温度等变化趋势，二元薄膜TiN等发展已经遇到瓶颈，汽车、模具行业等刀具需求大户对其的切削性能要求在不断提升，表面处理技术也向多元、复合涂层方向发展，科学家们通过复合以及多层薄膜的设计，让薄膜的强度、硬度和综合性得到了较大幅度的提高[1]。制造加工工艺、生产结构、先进检测手段的改进，进一步提高了薄膜的强度、硬度等各方面性能，目前，机械加工零件有大量的消耗是在摩擦磨损上，经济损失和资源浪费问题越发突出，经济上的损失更是以万亿计算，而且，长期的摩擦、磨损更会使机械零部件逐渐失效无法使用[2]。其中，将近有90%的机械元件因为受到磨损的影响而不同程度的失效，摩擦磨损问题产生的能源浪费无时无刻不在对社会经济的蓬勃发展造成着无法估量的损失，除此之外也在很大程度上引起了资源浪费、环境破坏等人为问题的迅速扩大，甚至长此以往会威胁着人类的生命财产安全，本课题研究讨论的TiAlN复合薄膜是在TiN二元薄膜的基础上继续发展起来的一种强度、硬度以及综合性能更为优越的超硬膜，高强度、硬度，良好的抗氧化性能以及耐磨性能，使其具有良好的发展前景，在薄膜研究领域也引起了众多国内外专家学者的深度研究[3]。

1.2表面涂层技术的研究历程

表面涂层技术兴起于上世纪末，它指的是在加工材料表面通过一些加工工艺使其原材料因为涂层材料的存在而得到更为优越的抗氧化性能、强度硬度、摩擦磨损性能，从而改善了其原有的特性的一种加工方法，因此，原料可以在特殊的工作环境中工作，以及满足各种技术要求。通常来说，表面技术有很多种类。PVD和CVD技术、热喷涂技术、激光熔覆技术等都是它的分支，得到了多个领域的认可[4]。表面涂层技术不仅是涉及材料学科，随着表面技术的推广，涂层技术显示出与其他学科互相交融的现象。这也是它成为了材料加工领域类的热门学科和研究重点[5]。

表面涂层技术是指通过在零部件表面通过增加一层其他性能的材料，让基体的抗氧化性、强度硬度、摩擦磨损性能等得到提高和改善的一项技术[6]。表面涂层技术的商业价值很被看好：一方面由于它在工业生产的过程中发挥着巨大的作用，被广泛应用；另一方面，在如今倡导节能减排的时代，它也有很大的优越性，复合目前时代发展的需求。还有不容忽视的是其能很大程度上降低企业的生产成本，提高工作零件材料的耐磨性能、抗氧化性能和使用寿命，使生产的产品的质量显著提升，从而为企业带来丰厚的利润回报。这也使得国内外专家学者对其进行了深刻的研究和探索，极大地促进了表面涂层技术的发展[7]-[10]。

1.3硬质薄膜的研究和进展

硬质薄膜的是在正常工作状态中，零件表面的薄膜厚度小于10-100微米的薄膜，当它的厚度大于40GPa时被称为超硬薄膜[7]。它的各方面性能十分优越，在应用上非常广泛，是国内外研究学者们追逐的焦点。上世纪末，TiN作为单一元素成分的涂层引起关注，在多个机械加工领域的刀具生产应用中被大量使用。随着加工工艺和技术要求的不断完善先进，单一组元的涂层已经不能满足工业领域高速发展的带来的高标准，严要求，这时候，涂层的发展趋势向着更多组成元素，更多微观结构迈进。总的来说，可以将其归纳总结为四个阶段：