TiSiN纳米复合涂层中纳米结构形成的原子探针层析技术研究及其力学性能调控

本研究针对TiSiN硬质涂层中硅含量对纳米结构形成机制的影响这一关键问题，采用15N同位素标记结合原子探针层析技术(APT)，首次在溅射沉积TiSiN涂层中揭示了fcc-Ti1-xSixN固溶体/a-SiaTibNc非晶相的纳米复合结构特征，发现5 at% Si含量可使硬度提升至38.5 GPa，为高性能涂层设计提供了原子尺度的理论依据。

　　

在切削工具和机械部件表面防护领域，TiN基硬质涂层长期面临氧化和磨损抵抗力的技术瓶颈。虽然硅(Si)元素的添加被证明能显著提升涂层性能，但关于其纳米结构形成机制始终存在争议——传统观点认为非晶相是纯Si₃N₄或SiN_x，却缺乏原子尺度的直接证据。更关键的是，硅含量与涂层力学性能的定量关系尚未明确，这严重制约了高性能涂层的精准设计。

奥地利莱奥本矿业大学（Montanuniversit?t Leoben）的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表的研究中，创新性地采用¹⁵N同位素标记结合原子探针层析技术(APT)，系统研究了硅含量(2-10 at%)对溅射沉积TiSiN涂层纳米结构的影响。通过开发峰值重叠分辨技术，首次在原子尺度证实了涂层中存在Ti_1-xSi_xN固溶体与非晶Si_aTi_bN_c的双相纳米复合结构，颠覆了传统认知。

研究采用三项关键技术：1) 使用98 at% ¹⁵N同位素气体进行磁控溅射沉积，制备不同硅含量的TiSiN涂层；2) 结合X射线衍射(XRD)和高分辨扫描透射电镜(HR-STEM)进行微观结构表征；3) 通过纳米压痕测试评估力学性能。特别值得注意的是，APT分析采用355 nm紫外激光辅助模式，在50 K低温下以0.5%检测率获取约2000万个离子数据。

3.1 微观结构特征
XRD显示所有涂层均保持面心立方(fcc)结构，但随硅含量增加出现峰位偏移和宽化现象。APT三维重构清晰显示出沿生长方向的柱状结构，其中硅富集区(4-6 at%)将钛富集区(含2-9 at% Si)分隔开，证明存在固溶体与非晶相的双相结构。HR-STEM进一步观察到被无序区域分隔的晶区，EDS图谱证实硅在晶界处富集。

3.2 成分演化规律
引人注目的是，随着总硅含量从2 at%增至10 at%，固溶体中的硅含量从~2 at%线性增至~9 at%，而非晶相中的硅富集程度保持相对稳定(4-6 at%)。这种独特的成分分布模式表明，在700°C沉积温度下，硅原子更倾向于进入固溶体而非完全偏聚。

3.3 力学性能关联
纳米压痕测试揭示出明显的"火山型"硬度曲线：5 at% Si样品获得最高硬度(38.5±1.4 GPa)，归因于-8396 MPa的压应力和优化的纳米复合结构；而10 at% Si样品因非晶相过多导致硬度下降至32.0±1.9 GPa。杨氏模量则随硅含量增加持续降低，从405±12 GPa(2 at% Si)降至332±11 GPa(10 at% Si)。

这项研究通过同位素标记APT技术，首次在原子尺度解析了溅射沉积TiSiN涂层的真实纳米结构，纠正了长期以来关于非晶相成分的认知偏差。研究发现硅在固溶体和非晶相中的独特分配规律，建立了"成分-结构-性能"的定量关系，特别是揭示出5 at% Si含量的最优性能窗口。该成果不仅为硬质涂层的性能优化提供了精确指导，其发展的¹⁵N标记APT分析方法更为其他氮化物体系的研究建立了新范式。未来研究可进一步探索沉积参数对硅偏聚行为的影响，以拓展纳米复合涂层的性能边界。