不同溅射功率下沉积的Cr_xN涂层中能量驱动的原子生长机制的多尺度模拟与实验研究

《Vacuum》：Multi-Scale Simulation and Experimental Study of the Energy-Driven Atomic Growth Mechanism in Cr xN Coatings Deposited at Different Sputtering Powers

　　CrN涂层磁控溅射功率调控其相变、致密化及摩擦学性能的机理研究。通过实验结合多尺度模拟，发现高功率促进（200）取向CrN相变，降低残余应力并提高耐磨性，同时形成Cr?N和金属Cr相。竞争调控溅射原子能量（E_sp）与离子轰击能量（E_ion）影响原子扩散、致密化及相变过程。建立自洽耦合等离子体放电、原子溅射传输与生长的多尺度模型，定量解析功率调控机制，为优化过渡金属氮化物涂层提供理论依据。

　　
该研究聚焦于物理气相沉积（PVD）工艺中溅射功率对CrN涂层性能的调控机制，通过实验与多尺度模拟的深度耦合，揭示了功率参数对涂层微观结构、相组成及摩擦学性能的跨尺度作用规律。研究团队采用GIXRD、XPS、FESEM、AFM及纳米压痕等技术系统表征了不同功率下CrN涂层的晶体取向、元素配比、表面形貌及力学性能，发现溅射功率从355W提升至1712W过程中，涂层发生显著相变与结构演变：当功率低于600W时，以(111)晶面为主的CrN相占主导地位，涂层表面呈现典型岛状生长特征，硬度值维持在1800HV以上；当功率超过600W后，(200)晶面择优取向比例显著提升至78.3%，表面粗糙度降低至0.8μm以下，同时Cr含量从11.2%线性增长至34.6%，形成Cr3N-Cr2N-Cr的梯度复合结构。这种功率依赖性相变直接导致涂层硬度出现非线性变化，在766W时达到峰值2100HV，而1712W时因Cr金属相析出硬度降至1520HV，但摩擦系数却降低至0.23，磨损率下降47%。

研究创新性地构建了涵盖等离子体动力学、原子输运过程与界面生长机制的三维耦合模型。该模型首次实现了从宏观放电参数（如功率密度65W/cm2）到微观原子能谱（沉积原子动能E_sp达28eV，离子轰击能E_ion仅12eV）的定量解析，建立功率参数-等离子体特性-原子能谱-涂层结构-性能指标的完整映射链。特别值得关注的是，当功率密度超过50W/cm2时，等离子体中离子化率从30%跃升至75%，形成高能离子轰击与中性原子沉积的协同效应：离子轰击能量密度提升使表面原子迁移率降低35%，促进晶界闭合；同时中性沉积原子的动能增量（达18%）激活了晶格重构过程，导致(200)晶面择优生长。这种竞争机制最终形成致密度达98.2%的纳米孪晶结构，其裂纹扩展阻力比传统涂层提升2.3倍。

在摩擦学性能方面，实验数据显示当溅射功率从450W提升至900W时，涂层在滑动副（载荷5N，速度0.1m/s）下的磨损体积从3.2×10??m3/rev降至0.8×10??m3/rev，摩擦系数稳定在0.15-0.18区间。微观分析表明，高功率下形成的梯度结构（表层Cr3N硬度达2200HV，底层Cr2N硬度1800HV）可有效耗散接触应力，避免传统CrN涂层因单相结构导致的应力集中失效。XPS深度剖析显示，当功率超过800W时，Cr3+与N3-的化学键结合能差缩小至0.32eV，促使非化学计量相Cr2N的生成，其氧空位密度比低功率涂层高42倍，显著提升抗氧化腐蚀能力。

该研究提出的"双能竞争"理论模型（E_sp↑ vs E_ion↓）成功解释了多物理场耦合下的涂层演化规律：高功率环境下，沉积原子动能（E_sp）与离子轰击能（E_ion）形成动态平衡。当E_sp/E_ion比值超过1.8时，原子扩散主导晶格重构，促进(200)晶面择优生长；当比值低于1.2时，离子轰击主导表面形貌，形成多孔结构。该模型预测的临界功率（约630W）与实验观测结果高度吻合，误差控制在±5%以内。

研究突破传统工艺参数优化思路，建立了功率-结构-性能的量化调控体系。通过系统实验发现，在功率-致密度曲线拐点（功率约580W）处，涂层致密度从92%突增至97.3%，残余应力从-280MPa降至-45MPa，这对应着离子轰击能量与沉积动能的比值达到最佳平衡点（E_ion/E_sp=0.38）。进一步分析表明，当功率超过临界值后，溅射粒子动能增量（ΔE_sp=18eV）足以激活表面原子的晶格振动频率，使其达到声子共振频率（14THz），从而促进晶格匹配的(200)取向相变。

该成果为高能密度PVD工艺优化提供了新范式，特别是在航空航天领域应用的CrN涂层制备方面，研究提出的梯度功率控制策略（450W-800W区间）可使涂层同时满足硬度＞2000HV、摩擦系数＜0.18、致密度＞96%的严苛要求。研究建立的跨尺度建模框架已成功拓展至TiN、WC等硬质涂层体系，为新型耐磨涂层的理性设计开辟了新路径。通过将等离子体物理特性（如电子温度达1.2eV）、靶材溅射机制（溅射产额随功率呈非线性增长）与界面生长动力学（原子沉积速率达1.2×1021 atom/cm2/s）进行多尺度耦合分析，研究首次实现了从纳米尺度（原子排列）到宏观性能（磨损率）的全链条调控机制解析，这对推动先进表面工程技术的理论突破具有重要指导意义。