[发明专利]一种评估多层薄膜膜基结合强度的方法

摘要

本发明公开了一种评估多层薄膜膜基结合强度的方法，在ABAQUS有限元软件下，建立CrN‑CrMoAlN梯度纳米多层薄膜双线性内聚力模型，通过纳米压痕仿真法来评估膜基结合性能。本发明中模型的参数，经过纳米压痕实验、划痕实验、摩擦磨损实验获得，具有真实可靠性。同时，利用所得参数及相关公式的计算很好的解决了Cohesive单元中断裂强度及断裂能这两个重要参数，具有独创性。本发明具有较高的可操作性与可逆性，不受实验条件限制，大大节省时间和成本。同时本发明并不局限于氮化物硬质多层薄膜与H13基体的膜基结合性能的研究，还可应用于其他膜基系统的结合性能的研究，具有广泛性。

主权项

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LC及涂层分离轨迹宽度dc；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：步骤6.1）建模：打开ABAQUS 6.13软件，在part单元分别构建刚性压头、CrN‑CrMoAlN多层薄膜模型；模型采用二维轴对称结构；CrN‑CrMoAlN多层薄膜模型在基体与薄膜之间构建一层Cohesive单元；其中：刚性压头为维式压头，CrN‑CrMoAlN多层薄膜中CrN及CrMoAlN膜厚比1：3，Cohesive单元厚度为0.1μm，H13基体厚度为50μm；步骤6.2）参考点设置：定义刚性压头与薄膜接触点为参考点；步骤6.3）材料属性：在Property单元，定义CrN过渡层、CrMoAlN功能层为线弹性材料即只需定义材料泊松比、弹性模量；定义H13基体为理想弹塑性材料即只需定义材料泊松比、弹性模量及屈服强度；定义Cohesive单元层损伤准则采用最大应力损伤准则，并采取能量法则控制，Cohesive单元的刚度与基体模量一致，Cohesive单元的断裂强度按如下公式（Ⅰ）计算：式中：Lc：涂层分离临界载荷，单位N；dc：涂层分离轨迹宽度，单位μm；μ：薄膜摩擦系数；涂层泊松比；Cohesive单元的断裂能根据公式（Ⅱ）计算：式中：涂层断裂强度，单位MPa；t：涂层厚度，单位μm；涂层弹性模量，单位MPa；步骤6.4）设置分析步：在Step单元中设置分析步，第一步设置加载，第二步设置卸载，并定义相应的输出变量；步骤6.5）定义接触：在Interaction单元中定义压头与薄膜接触为光滑无摩擦；步骤6.6）施加载荷与边界条件：固定模型的对称轴水平位移及基体底边纵向位移；在定义的参考点处用压入深度来代替施加的静载荷；步骤6.7）网格划分：在Mesh单元中，H13基体与CrN‑CrMoAlN多层薄膜的网格单元类型采用CAX4R型；凝聚性单元模块单元网格采用COHAX4型；步骤6.8）后处理分析：在Job单元中递交任务获取模型载荷位移曲线及应力云图。