[发明专利]一种评估多层薄膜膜基结合强度的方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜测评领域，尤其涉及一种评估多层薄膜膜基结合强度的方法。

背景技术

H13钢是应用较为广泛的热作模具，广泛应用于热模锻，热挤压模和有色金属压铸模。但是其工作条件非常恶劣，热锻模表面要承受高温，高压以及较大的冲击力，容易造成模具失效。因此模具的寿命成为一个突出的问题。

薄膜技术的出现很好的解决了上述问题。其中，PVD涂层技术是一种应用非常广泛的薄膜技术。PVD膜可以提高工件的表面强度，增加其耐磨性、防腐蚀性、抗高温氧化性等一系列力学性能。PVD硬质涂层最早出现在20世纪70年代，最早的二元氮化物硬质涂层主要代表为CrN、TiN。它们具有较好的硬度及耐磨性能，但是并不足以满足各种工况，因此后来出现三元氮化物甚至四元氮化物如CrAlN、CrMoN、CrTiAlN、CrMoAlN，这些多元硬质涂层性能更加优异。但是，不管是何种形式的硬质氮化物涂层，都存在一个涂层脱落失效的问题即膜基结合力的问题。因此，如何深入评估涂层膜基结合性能是一个亟待解决的问题。

目前，涂层与基体结合强度的评价方法主要有以下三种：

（1）划痕法：采用高硬度的划针或者划头划过涂层薄膜表面，逐渐增加载荷，当载荷增加到一定值时，薄膜就发生破裂脱落，此时载荷值称为临界载荷，对应的位置为临界失效位置。其方法原理简单，因此被广泛使用，但是划痕实验过程包含很多变形失效过程，因此所得结果仅仅是相对定性的表征。

（2）拉伸法：拉伸法用粘结或焊接的方式将薄膜涂层和基体分别固定在拉伸棒端面测量涂层从基体剥落时的载荷大小即结合强度。此法简单，应用也较广，但是受限于粘结剂的强度必须大于界面强度，及操作过程中的偏心等外界因素。此法只适用于结合强度低的膜基结构。

（3）压痕法：压痕法是对涂层试样在不同载荷工况下进行压入试验，通过分析压痕周围涂层的开裂情况确定其结合强度。压入过程可以分为三个阶段：初始阶段，压入载荷不大，界面和基体一起变形；逐渐增加载荷，涂层与基体界面上开始产生侧向裂纹；当裂纹扩展到一定阶段，涂层脱落。此时对应的载荷即临界载荷。目前应用较广的有纳米压痕法、垂直拉伸法、三点弯曲测试法、接触疲劳法和刮剥法测量方法等直接定量检测法。但是由于实验操作的复杂及条件所限，这些方法多少存在不足。

现如今，随着计算机的广泛应用，各种有限元模拟软件也逐渐替代了部分传统的实验方法，如ABAQUS、ANSYS等软件。应用软件模拟薄膜性能不受各种现实条件的约束，并且可反复操作，大大节约了成本、时间及人为造成的误差。此外， ABAQUS软件可以模拟建模分析复杂薄膜性能研究系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。但是，仅仅通过软件获得的结果并不能令人信服，且相应的参数还要通过实验方法获得。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种评估CrN-CrMoAlN多层薄膜膜基结合强度的方法，通过实验获得相应参数后，再利用应用软件建模并进行纳米压痕仿真，进行膜基结合性能的研究。

为此采用如下的技术方案：一种评估多层薄膜膜基结合强度的方法，其特征在于通过以下步骤：

步骤1）通过磁控离子镀在H13基体沉积CrN层获得单层CrN薄膜；所述磁控离子镀的参数设置为Cr靶电流4A，偏压-75V，沉积时间600s；

步骤2）通过磁控离子镀在H13基体沉积CrN-CrMoAlN多层薄膜；所述磁控离子镀的参数设置为Cr靶电流4A，Al靶及Mo靶电流6A，偏压-75V，CrN过渡层沉积600s，CrMoAlN功能层沉积1800s；

步骤3）采用纳米压痕仪分别对H13基体、步骤1）制得的单层CrN薄膜及步骤2）制得的CrN-CrMoAlN多层薄膜以连续刚度法测量弹性模量；具体是在最大压深为1000nm时，通过所述的纳米压痕仪测量弹性模量值；

步骤4）采用涂层附着力自动划痕仪获取涂层分离临界载荷L_C及涂层分离轨迹宽度d_c；实验参数设置为最大载荷为30N，加载速率为30mN/s，划痕长度为1mm；

步骤5）采用销盘磨损试验仪对步骤2）制得的CrN-CrMoAlN多层薄膜进行摩擦磨损实验测出其摩擦系数；实验参数设置为载荷15 N，对磨件为直径4 mm的W-6%Co球，转速637 r/min，测试时间1800 s, 磨痕直径6mm, 测试温度25 ℃；

步骤6）通过ABAQUS 6.13软件对CrN-CrMoAlN多层薄膜进行建模及膜基结合性能的分析，具体过程如下：