题目：离子注入氮化物薄膜的微观结构和性能研究

氮化物薄膜是一类具有高硬度、高热稳定性、高耐磨性和高抗氧化性的硬质涂层材料，广泛应用于刀具涂层和机械加工领域。离子注入技术是一类传统的金属材料表面改性技术，能有效提高材料表面的机械、磨损和抗氧化等性能。本文采用自主研发的磁过滤阴极电弧离子镀（Magnetic Filter Arc Ion Plating，MFAIP）设备在硬质合金基底上沉积1-2μm厚的TiN、TiAlN和TiAlN/CrN三种不同类型的氮化物薄膜涂层，然后利用MEVVA离子注入技术对氮化物薄膜进行表面改性。通过系统研究不同剂量不同离子对三种类型氮化物薄膜的微观结构、力学性能、摩擦磨损和氧化性能的影响，探索离子注入影响氮化物薄膜性能的机制和原理，为新型的离子注入改性氮化物硬质涂层材料的开发和研究提供理论和技术支持。

研究了Si和Al离子注入对TiN薄膜氧化性能的影响机制。Si离子注入TiN能在薄膜表层注入区内形成一个Si3N4非晶和TiN纳米晶的复合结构，纳米晶尺寸为4-6nm，且非晶相分布于TiN晶粒周围，能有效阻碍氧原子的扩散，提高TiN薄膜的抗氧化性能。与Si注入改善TiN薄膜氧化性能机理不同，Al离子注入薄膜后能优先与氧原子结合形成致密的Al2O3，阻碍氧原子扩散，且Al离子注入的辐照损伤效果诱导TiN薄膜内部缺陷的形成，加速Al离子扩散速度，使得较小剂量也能有效提高薄膜抗氧化性能。

研究了Nb、V离子注入对TiN和TiAlN薄膜的微观结构、力学和磨损性能的影响。Nb和V离子注入氮化物薄膜后能产生对应离子的氮化物（NbN或VN）弥散相，且可能在薄膜离子注入区内形成一个非晶-非晶和纳米晶复合-柱状晶的纳米尺度梯度结构，弥散相和梯度结构的形成导致了薄膜表层力学性能和磨损性能的提高；C离子注入后，氮化物薄膜薄膜表层形成TiC相和富含C的固体润滑层，导致氮化物薄膜硬度进一步提高，而摩擦系数则明显降低。Nb+C和V+C双元素注入的性能改善效果强于对应的Nb和V单元素注入效果。

研究了Nb、V、Mo离子注入对TiAlN/CrN薄膜微观结构和力学性能的影响。Nb、V和Mo离子注入TiAlN/CrN薄膜能形成相应的氮化物相（NbN、VN或MoNx），造成薄膜衍射峰偏移，晶格常数变化，而衍射峰偏移和变化规律与所形成的氮化物晶格常数相关；AES和SRIM模拟研究结果表明V、Nb和Mo三种离子的注入深度和元素含量与相对原子质量的有关，注入离子相对原子质量越大，其注入深度越小，而原子含量最值越大；V、Nb和Mo离子注入后均能有效的提高TiAlN/CrN薄膜的力学性能，且强化效果主要集中于离子注入区，由于离子注入的长程效应，薄膜硬度提高效果能延伸到2-4倍离子注入区的深度范围内。V+C离子注入TiAlN/CrN薄膜样品表现出最优的力学性能，且薄膜力学性能改善效果与三种离子注入后薄膜内部晶粒尺寸成正比。

建立了离子注入氮化物薄膜表层纳米精细结构演变规律的模型。高能注入离子与氮化物薄膜内部原子发生激烈碰撞，引起辐照损伤，造成表层晶格取向复杂无序化，导致晶粒破坏和细化，形成非晶和纳米晶复合结构；随着注入剂量的增加，辐照损伤程度加剧，原子混乱堆积，非晶区扩大，形成非晶层；非晶结构逐步向次表层推进，导致次表层的辐照损伤加剧，引起次表层的晶体结构破坏，造成次表层晶粒细化，使次表层形成非晶和纳米晶的复合过渡区域。