Ti-Al-N基硬質(zhì)涂層的熱穩(wěn)定性能、微結(jié)構(gòu)及其力學(xué)、切削性能的研究.pdf

1、Ti-Al-N涂層具有優(yōu)良的高溫抗氧化性能和力學(xué)性能成為目前應(yīng)用最普遍的刀具涂層材料，其晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能在很大程度上取決于涂層中的Al含量，當(dāng)Al含量超過TiN的固溶度時，立方相(c)Ti-Al-N向六方(h)轉(zhuǎn)化而使其力學(xué)性能顯著降低。因此，Ti-Al-N涂層中Al含量的控制顯得尤為重要。但是，現(xiàn)在普遍采用的濺射沉積技術(shù)制備的涂層成分經(jīng)常會偏離靶材成分，涂層成分的精確控制難度很大。近來，Ti-Al-N涂層的熱穩(wěn)定性能受到越來越多的關(guān)

2、注，亞穩(wěn)的c-TiAlN在高溫(約1000℃)時會向其穩(wěn)定相c-TiN和h-AlN轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致涂層失效。然而，h-AlN的形成需要經(jīng)過調(diào)幅分解析出c-AlN作為過渡相才能實現(xiàn)，調(diào)幅分解的發(fā)生引起涂層的時效硬化現(xiàn)象的發(fā)生。到目前為止，Ti-Al-N涂層的時效硬化現(xiàn)象的研究還不夠深入，特別是其應(yīng)用基本上還沒有涉及。在實際切削應(yīng)用中，尤其是對于干式高速切削，切削區(qū)域的溫度經(jīng)常高于Ti-Al-N的熱分解溫度(約1000℃)。為了抑制Ti-Al

3、-N涂層的高溫分解過程，在Ti-Al-N涂層中添加第四組元以提高涂層的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性已成為目前刀具涂層的前沿研究領(lǐng)域。 本論文從濺射過程中Ti、Al原子的不同丟失情況出發(fā)，揭示了各種沉積條件下沉積的Ti-Al-N涂層的組成和結(jié)構(gòu)的變化機(jī)理。Ti-Al-N基涂層的熱穩(wěn)定性為本論文的另一研究重點。本論文首次詳細(xì)研究了不同Al含量、不同晶體結(jié)構(gòu)的Ti-Al-N涂層的時效硬化現(xiàn)象，并深入地研究了Ti-Al-N涂層的時效硬化在切削刀具

4、上的應(yīng)用。本研究還發(fā)現(xiàn)：通過Si、Zr元素的加入形成的Ti-Al-X-N四元涂層改善了涂層的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。在此基礎(chǔ)上對Ti-Al-Si-N涂層的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，成功地實現(xiàn)了其在工業(yè)上的應(yīng)用。所取得的主要研究成果如下： 1.應(yīng)用角度、散射丟失機(jī)理詳細(xì)地分析了反應(yīng)濺射Ti0.5Al0.5復(fù)合靶材制備Ti-Al-N涂層時不同氮化靶材表面的Ti、Al原子丟失情況，并在此基礎(chǔ)上研究了各種沉積條件下制備的Ti-Al-N涂層的成分與微

5、結(jié)構(gòu)的變化。本研究為濺射沉積Ti-Al-N涂層的組成控制提供了系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，使Ti-Al-N涂層成分的精確控制成為可能。本研究還表明：在涂層制備過程中，通過調(diào)整沉積參數(shù)來減小沉積原子的表面擴(kuò)散能力有利于提高Al在c-TiAlN涂層中的固溶度。 2.Ti-Al-N涂層的熱分解過程需先經(jīng)過調(diào)幅分解析出亞穩(wěn)相的c-AlN相作為過渡，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的h-AlN相，調(diào)幅分解的發(fā)生伴隨著時效硬化的出現(xiàn)。Ti-Al-N涂層的調(diào)幅分解與時效

6、硬化效應(yīng)與涂層中的Al含量密切相關(guān)。高的Al含量會驅(qū)使調(diào)幅分解與時效硬化在低溫區(qū)間出現(xiàn)，同時涂層的失效溫度也相應(yīng)的在低溫區(qū)出現(xiàn)。Ti-Al-N涂層的時效硬化特性為熱處理Ti-Al-N涂層刀片并改善其切削性能提供了可能。熱處理后的時效硬化改善了涂層的車削性能。但對于銑削加工，合適的熱處理工藝則顯得尤為重要。通過在700-800℃溫度區(qū)間快速冷卻，而在其它溫度區(qū)間緩慢冷卻，可在增加涂層硬度的同時，減少熱處理過程對硬質(zhì)合金的韌性及涂層與基體的

7、結(jié)合強(qiáng)度的影響，從而改善了涂層刀片的銑削性能。 3.Ti-Al-N涂層中添加Si形成的nc-Ti1-xAlxN/a-Si3N4納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)大幅改善了涂層的硬度和熱穩(wěn)定性能。nc-Ti1-xAlxN/a-Si3N4的熱分解過程也會發(fā)生調(diào)幅分解，從而引起時效硬化。(Ti0.45Al0.55)0.93Si0.07在1100℃高溫時仍能維持高硬度值～42.4GPa。 4.Zr元素的加入在降低Ti-Al-N涂層時效硬化的起始溫度

8、的同時，還可提高c-AlN向h-AlN的轉(zhuǎn)變溫度。因而在Ti-Al-N體系中加入Zr可改善涂層的熱穩(wěn)定性、延長了其時效硬化溫度區(qū)間，從而有利于涂層的高溫應(yīng)用。 5.研究Ti-Al-N與Ti-Al-Si-N在切削刀具上的應(yīng)用，并通過多層界面結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善了其切削性能，實現(xiàn)這兩種涂層的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。 TiN/TiAlN多層涂層的界面強(qiáng)化作用增加了涂層的硬度并改善了涂層與基體之間的結(jié)。因而無論是車削還是銑削加工，多層涂層都表現(xiàn)

9、出比TiN、Ti-Al-N單層涂層更好的切削性能。 nc-Ti1-xAlxN/a-Si3N4納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)改善了涂層的耐磨性與熱穩(wěn)定性，因而提高了其車削性能。然而，nc-Ti1-xAlxN/a-Si3N4涂層與基體低的結(jié)合強(qiáng)度、高的內(nèi)應(yīng)力及脆性使其銑削性能下降。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計制備的TiAlN-TiAlSiN雙層和TiAlN/TiAlSiN多層涂層刀片不僅可以降低涂層內(nèi)應(yīng)力，而且還增加了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。低的內(nèi)應(yīng)力和高的結(jié)合強(qiáng)