● 摘要
高速切削硬质合金刀具在国民生产中起到了重要作用，刀具表面镀硬质涂层能提高其切削性能，延长工作寿命。目前硬质涂层已发展到第三代——多元多层复合薄膜。TiAlN/CrN纳米多层膜是第三代薄膜的重要成员，它具备硬度高、抗高温氧化性能好、耐磨损等优异性能。离子注入技术是在不改变基体内部性能的基础上，运用离子束轰击基体注入目标元素，以提高材料表面硬度、耐摩擦磨损等性能。
本文以磁过滤电弧镀的方法，在YT15硬质合金上沉积调制周期4nm、薄膜厚度700nm的TiAlN/CrN纳米多层膜。利用金属蒸汽真空弧离子源(MeVVA)在TiAlN/CrN纳米多层膜表面注入V离子。利用TRIM软件模拟V离子注入TiAlN/CrN纳米多层膜过程，分析V在多层膜内的分布。运用GIXRD、XPS、TEM、纳米压痕仪、UMT-2摩擦磨损试验机、三维白光干涉表面形貌仪等技术、设备分析了不同V离子注入剂量对薄膜的物相、成分、微观组织结构以及宏观力学性能、摩擦磨损性能的影响。
V离子的注入改变了纳米多层膜的表面结构，破坏了注入区内部的周期性调制结构，影响膜内交变应力场分布。利用GIXRD分析显示，薄膜(200)择优取向被弱化，残余压应力得到提升。XPS能谱检测表明注入后新生成了VN。注入剂量为0.5X1017ions/cm2在注入层表面形成纳米晶区，提高了该区域附近的硬度但降低了膜深层硬度。注入剂量为1X1017ions/cm2在注入层表面形成平滑致密的非晶区，进一步提高了非晶区附近的硬度但降低了膜深层硬度。摩擦磨损实验表明：摩擦系数和注入剂量正相关，而磨损率则先升后降，注入剂量为1X1017ions/cm2时磨损率是未注入薄膜的45.5%。