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氧含量对Cr-Al-O-N涂层结构、力学性能和热性能的影响

氧氮化物；CrAlON；热稳定性；力学性能

CrAlN涂层具有较高的硬度、优异的耐磨性和抗氧化性常被用作切削刀具的表面防护涂层，多元掺杂进一步提升CrAlN涂层的性能受到研究者的广泛关注。为此，本工作采用阴极弧蒸发技术配合Al₃₀Cr₇₀合金靶制备了不同O含量的(Cr_xAl_{1­­­­­‑x})_δ(O_yN_1-y)_ξ涂层，采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、热重分析仪、纳米压痕仪等检测手段研究了O含量对CrAlON涂层结构、力学性能和热性能的影响。研究结果显示：随着涂层中的O含量升高，金属与非金属的原子比逐渐降低。当非金属亚点阵中的O含量y ≤ 0.74时，涂层为单相B1-NaCl型面心立方结构，当y = 0.96时，涂层表现为a-Al₂O₃和立方两相结构，当沉积气氛为纯O₂时，(Cr,Al)₂O₃涂层为单相a-Al₂O₃结构。涂层的硬度随O含量的增加先升高后下降，在y = 0.74 时由~25.1 GPa上升至最高值~27.8 GPa，随后在y = 0.96时降至25.0 GPa，对应的a-(Cr,Al)₂O₃涂层的硬度为26.2 GPa。Ar气氛退火实验结果表明：O加入能有效抑制w-AlN的产生及Cr-N键的断裂，提高涂层的热稳定性并减缓涂层硬度随退火温度升高而降低的趋势。特别的，当y = 0.96时，涂层的硬度在1000 °C以上随着退火温度的升高反而提升，在1200 °C时达到27.5 GPa，相较于其他涂层（相同条件下硬度值仅有10~15 GPa）表现出优异的高温力学性能。