周期性梯度结构Cr-CrN涂层的硬度与塑性协同增强机制研究

本文创新性地采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术，通过周期性调控N2气流实现Cr-CrN涂层的氮含量梯度变化（0~50 at.%），构建了兼具多层堆叠与连续梯度特性的新型复合结构(PG)。相比传统多层结构(ML)，该设计通过固溶N元素增加界面影响区厚度，缓解尖锐相界应力集中，同时促进晶粒细化，使涂层硬度达22.54 GPa，临界内聚失效载荷提升至35 N，成功突破了传统金属/陶瓷多层涂层硬度-塑性的固有矛盾。

　　

亮点

本研究通过创新的周期性梯度(PG)设计，将多层堆叠与连续梯度特性巧妙结合。采用HiPIMS技术精准控制N₂气流，实现每个沉积周期内氮含量从0到~50 at.%再归零的循环变化，犹如给涂层"编程"出波浪形的成分韵律。

微观结构

扫描电镜(SEM)与能谱(EDS)分析显示，传统多层(ML)涂层具有锐利的界面边界（图2c），而PG涂层展现出优美的成分梯度过渡（图2a）。透射电镜(TEM)进一步揭示PG结构中存在亚稳过渡相，这些"模糊地带"的界面像缓冲垫般有效分散应力。

力学性能

纳米压痕测试中，调制周期~149 nm的PG涂层表现出22.54 GPa的巅峰硬度——相当于在针尖施加3头大象的重量时，涂层仅产生微米级压痕！划痕测试中，PG涂层的临界失效载荷达35 N，比ML涂层高出约40%，就像给涂层穿上了"防裂铠甲"。

作用机制

梯度氮-铬层中N的固溶作用扩展了界面影响区，如同在金属与陶瓷间铺设了"成分缓坡道"，既阻止了位错"堵车"，又避免了应力"悬崖"。同步发生的晶粒细化效应，则像给材料内部装上无数微型防撞梁。

结论

周期性梯度设计成功破解了涂层材料的"硬度-塑性魔咒"。这种"刚柔并济"的结构策略，为航空航天部件、汽车模具等苛刻工况下的涂层开发提供了新范式，未来或可拓展至其他金属-陶瓷体系。