Mo和C含量对AlCrN薄膜组织和性能的影响

AlCrN 薄膜因其具有优异的力学性能广泛应用于金属切削领域，Mo 和 C 的掺杂对提高 AlCrN 薄膜的硬度和耐磨性有理论上的可行性，然而 Mo 和 C 元素的共同作用对 AlCrN 薄膜的组织结构、力学性能及摩擦学性能的影响仍须进一步探索。使用中频反应磁控溅射和热丝弧离子镀复合薄膜设备在硬质合金和 Si(100)表面制备 AlCr(MoC)N 薄膜。使用 SEM、XRD 和 EDS 分析薄膜的微观形貌、物相组成和元素含量，采用纳米压痕测试仪、摩擦磨损试验仪和 3D 轮廓仪表征薄膜的硬度、耐磨损性并观察薄膜的磨痕形貌。结果表明：随着 MoC 镶嵌靶(Mo 和 C 等面积)电流的增加，Mo 和 C 元素含量上升，当 MoC 靶电流为 2.5 A 时，薄膜中 Mo 和 C 的含量分别升至约 14.6 at.%和 9.1 at.%。与 AlCrN 薄膜相比，AlCrMoCN 薄膜中出现 β-Mo₂N 和 γ-Mo₂N 相，c-CrN 相的生长从高表面能(111)面转变为低表面能(200)面。随着 Mo 和 C 元素含量的增加，薄膜硬度先增加后减小，靶电流为 1 A 时薄膜硬度达到最大值 35±0.5 GPa，在 MoC 靶电流为 2.5 A 时，薄膜出现可由 SEM 观察到的纳米多层结构，此时 AlCrMoCN 薄膜硬度下降至约 23±1 GPa。随着 Mo 和 C 元素含量的增加，薄膜的残余压应力由 4.8±1 GPa 减小至 2.2±0.1 GPa。与无 Mo 和 C 薄膜相比，Mo 和 C 的掺杂有利于降低 AlCrN 薄膜的摩擦因数，Mo 和 C 含量增高，薄膜的摩擦因数大小呈现相近的趋势。AlCrMoCN 薄膜在与 Si₃N₄对偶球对磨时获得相较于 Al₂O₃对偶球更低的磨损率。对比分析 AlCrN 薄膜在不同 Mo 和 C 含量下的力学性能及摩擦学性能，揭示 Mo 和 C 的作用机理，可对其实际应用场景提供指导。

Effect of Mo and C Contents on the Crystal Structure and Properties of AlCrN Films