硅含量对CrAlSiN涂层裂纹行为的影响机制及其在加工工具中的应用前景

本文系统研究了不同硅含量（xSi=10-29 at.-%）对物理气相沉积（PVD）CrAlSiN纳米复合涂层裂纹行为的影响。通过纳米压痕技术发现，硅含量提升虽未改变硬度（HIT=25.5±1.6 GPa），但显著提高压痕模量并优化裂纹抗性，其中xSi=22 at.-%涂层在1750 mN载荷下表现出最优抗裂性能，为高温加工工具涂层设计提供新方向。

　　

Highlight

硅含量对CrAlSiN涂层裂纹行为的显著影响揭示了其力学性能与微观结构的复杂关联。通过高载荷纳米压痕测试发现，尽管硬度保持稳定，但硅含量增加会提升压痕模量，并显著改变裂纹萌生阈值——x_Si=10 at.%涂层在1000 mN载荷下首次出现裂纹，而x_Si=29 at.%涂层在800 mN即产生裂纹。值得注意的是，x_Si=22 at.%涂层在1750 mN高载荷下展现出最短且最少的裂纹扩展，表明中高硅含量可优化涂层抗损伤能力。

Coating properties and compound adhesion

化学成分分析显示，随着硅含量c_Si从5 at.%增至16 at.%，氮含量c_N同步从47 at.%上升至52 at.%。在Al/Cr比恒定于55/45的条件下，金属/氮比例（CrAlSi）/N因氮含量增加而自适应调整。X射线光电子能谱（XPS）研究表明……

Conclusion

本研究通过高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）技术制备了不同硅含量的CrAlSiN涂层，并重点分析了其力学性能与裂纹行为。结果表明：所有涂层硬度无显著差异，压痕模量随硅含量增加仅轻微上升。高硅含量涂层（尤其是x_Si=22 at.%）在高温条件下展现出优异的裂纹抗性，这与其非晶Si₃N₄相抑制晶粒生长（d < 20 nm）及优化应力分布的特性密切相关。