几种多元纳米氮化物涂层的制备和高温氧化行为研究

【摘要】随着我国高速加工技术的迅速发展,像铸铁、淬硬钢、钛合金、不锈钢等难加工材料的需求急剧增加,使得刀具材料的选择越来越严格。此外,人们不断提高加工效率以及要求加工过程绿色环保,很多加工场合需要少冷却液和无冷却液的切削加工,这使得切削面局部温度达到900-1000℃,已经超过三元TiAlN、CrAIN涂层刀具的抗氧化温度。加入B和Si元素形成的纳米结构涂层,可以明显的改善传统涂层的抗高温氧化的能力。目前的研究中,大多是关于纳米复合和纳米多层涂层的工艺参数对涂层组织结构和力学性能的影响,而在抗高温氧化性方面研究比较少。为了进一步揭示涂层结构与性能的关系,本课题研究了三类涂层：1)以电弧技术制备的TiAlN涂层为基础,采用双极脉冲电源参入Si元素,产生TiAlSiN纳米复合涂层；2)通过闭合磁控溅射离子镀制备CrTiAIN纳米多层涂层；3)以电弧技术制备的AlCrN涂层为研究对象,添加AlTiSi电弧靶,生成CrTiAlSiN纳米复合涂层。研究了TiAlSiN涂层、CrTiAIN和CrTiAlSiN涂层在空气中经不同温度氧化2小时后的形貌和结构变化,利用SEM、EDX和XRD研究了TiAlSiN涂层、CrTiAIN涂层和CrTiAlSiN涂层高温氧化前后涂层的形貌、成分和涂层物相结构变化,分析了Cr/Ti含量对CrTiAlSiN涂层抗高温氧化性能的影响,采用维氏硬度计和纳米压痕仪测试涂层的显微硬度,洛氏压痕和划痕仪分别定性、定量评估涂层的结合轻度,以及使用摩擦磨损试验机测试了涂层的摩擦系数。结果表明：1)Si元素添加到TiAIN涂层中,硬度增加到2600Hv左右。经900℃空气中退火后,TiAIN涂层表面被疏松结构的TiO2所覆盖,并且表面产生了纵横交错的裂纹,而TiAlSiN涂层生成的致密的A1203保护膜,有效地减缓了氧化速率。在TiAIN涂层中加入Si元素后形成了TiAlSiN涂层,其高温抗氧化性明显高于TiAIN涂层。2)CrTiAIN涂层采用非平衡磁控溅射离子镀制备,氧化前涂层表面颗粒均匀细小且无液滴,截面呈纳米多层柱状结构,膜厚约2.18μm,主要为fcc-CrN相。CrTiAIN涂层具有良好的力学性能,显微硬度2996Hv,结合强度HF-1,临界载荷超过60N,摩擦系数低至0.29。低温时,涂层基本相未发生变化。CrTiAIN涂层在高温下主要生成了Cr203和A1203等金属氧化物。3)从温度对涂层的表面形貌和微观结构的影响分析,CrAlN涂层在1000℃下氧化生成Cr203,而CrTiAlSiN涂层在高温下改变不明显,说明CrTiAlSiN涂层具有优异的高温抗氧化性能,有望成为严格的加工环境中的刀具涂层材料,如高速干切削。
【作者】敖永翠；
【导师】王启民；
【作者基本信息】广东工业大学，机械工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】TiAlSiN涂层；CrTiAlN涂层；CrTiAlSiN涂层；力学性能；高温氧化行为；

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