AlN基硬質(zhì)涂層熱穩(wěn)定性、高溫氧化行為及耐腐蝕性能研究.pdf

1、AlN基硬質(zhì)涂層具有高硬度、耐磨、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、良好的高溫抗氧化性以及優(yōu)異的耐腐蝕性能等特點(diǎn)，在現(xiàn)代金屬切削刀具市場(chǎng)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，面對(duì)高溫、潮濕、高鹽度等各種復(fù)雜服役環(huán)境，對(duì)其不同工況條件下的使用性能提出了更高的要求。
　　采用電弧離子鍍技術(shù)在GK05、GU20和GU25UF三種不同牌號(hào)的硬質(zhì)合金基體上沉積三種不同的涂層AlTiN、AlCrN和AlCrSiWN，考察分析了三種涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)、硬度、彈性模量及膜基結(jié)合力

2、等綜合力學(xué)性能，在此基礎(chǔ)上對(duì)比研究了三種涂層的熱穩(wěn)定性能、高溫抗氧化性能以及電化學(xué)腐蝕行為，探討了AlN基硬質(zhì)涂層的高溫氧化元素遷移機(jī)制與電化學(xué)腐蝕機(jī)理，主要結(jié)論如下:
　　1.顯微組織結(jié)構(gòu)與綜合力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果表明，AlTiN涂層表面存在明顯的液滴與孔洞缺陷，AFM結(jié)果表明其粗糙度(42.5μm)相對(duì)較大，涂層截面呈柱狀晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，其硬度(25.9 GPa)最低;與AlTiN涂層相比，AlCrN和AlCrSiWN涂層的表面缺陷明

3、顯減少，液滴現(xiàn)象得到改善，且均呈細(xì)晶生長(zhǎng)，柱狀晶結(jié)構(gòu)得到消除。其中由于Si元素的添加起到細(xì)化晶粒的作用，AlCrSiWN涂層硬度(33.96 GPa)最高，但其膜基結(jié)合力明顯降低。沉積在GK05、GU20和GU25UF硬質(zhì)合金上的AlCrN涂層與三種基體的膜基結(jié)合力最好，膜基結(jié)合力的大小還與硬質(zhì)合金基體的晶粒度成反相關(guān)。
　　2.AlTiN、AlCrN和AlCrSiWN三種涂層都表現(xiàn)為fcc-AlN立方結(jié)構(gòu)，但AlTiN涂層由于處

4、于相轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)，出現(xiàn)了明顯的寬化現(xiàn)象。AlCrSiWN涂層中沒(méi)有檢測(cè)到Si3N4相，但依據(jù)XPS中檢測(cè)出Si-N化學(xué)鍵的存在，可以推測(cè)其已經(jīng)形成了非晶Si3N4相，但進(jìn)一步結(jié)論需待TEM結(jié)果進(jìn)行佐證。
　　3.熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同溫度熱處理后的AlTiN涂層物相演變、硬度演變與AlCrN和AlCrSiWN涂層的截然不同。AlTiN涂層發(fā)生時(shí)效硬化現(xiàn)象，硬度隨溫度的上升而增加，直到柔軟相hcp-AlN的出現(xiàn)使得涂層硬度急劇下降至

5、22.78 GPa。而AlCrN和AlCrSiWN涂層在高溫?zé)崽幚項(xiàng)l件下的分解過(guò)程不存在spinodal分解，由于沒(méi)有時(shí)效硬化現(xiàn)象，隨熱處理溫度的上升硬度大幅減小，相對(duì)AlCrN涂層來(lái)說(shuō)，AlCrSiWN涂層高溫?zé)崽幚砗笥捕认陆捣雀?，熱穩(wěn)定性較AlCrN涂層更差。
　　4.高溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，AlTiN涂層起始氧化溫度為700℃，而AlCrN和AlCrSiWN涂層到900℃才開(kāi)始出現(xiàn)明顯氧化現(xiàn)象;AlTiN涂層的氧化層上層以

6、Al2O3氧化層為主，下層是Al2O3和TiO2的混合物雙層氧化層結(jié)構(gòu)，疏松多孔的TiO2致使其高溫抗氧化性能在三種涂層中相對(duì)最差。AlCrN涂層的氧化層結(jié)構(gòu)為Al2O3/Cr2O3混合氧化層，而AlCrSiWN涂層在此基礎(chǔ)上還具有致密的SiO2氧化層，摻雜的Si元素能夠促進(jìn)Al2O3的生成，同時(shí)AlTi(Cr)N-Si3N4納米復(fù)合結(jié)構(gòu)協(xié)同提高了AlCrSiWN涂層的高溫抗氧化性能。
　　5.電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)表明，與未鍍涂層的硬質(zhì)

7、合金基體相比，涂層硬質(zhì)合金的耐腐蝕性能得到了明顯的改善。三種涂層孔隙率的排序?yàn)?AlTiN＞AlCrN＞AlCrSiWN，而icorr值和Rct值同時(shí)表明，三種涂層的耐腐蝕性能排序?yàn)?AlCrSiWN＞AlCrN＞AlTiN; AlTiN涂層晶粒為柱狀晶，其表面存在明顯液滴與孔洞缺陷，這些缺陷為腐蝕電解質(zhì)的擴(kuò)散提供了快速通道，因此AlTiN涂層的耐腐蝕性能最差。具有致密顯微組織結(jié)構(gòu)的AlCrSiWN涂層表現(xiàn)出最好的耐腐蝕性能，這可能與其