合金化对阴极弧蒸发沉积TI-AL-N和CR-AL-N硬质涂层的微观结构及性能的影响

摘要

金属切削过程中，涂层刀具表面与工件之间剧烈的摩擦使切削区域的温度急剧上升，因而涂层是否具有良好的热稳定性和高温抗氧化性能是衡量其性能的两个重要指标。由Al替代过渡族金属氮化物MeN（Me=Zr、Ti、Cr等）中部分Me形成的亚稳相MeAlN涂层，因具有高硬度、高熔点和抗氧化性好等优良性能，成为刀具涂层的研究热点。其中，Ti-Al-N和Cr-Al-N涂层相对其它涂层具有更好的高温抗氧化性能，在切削刀具上应用非常广泛。但是，Ti-Al-N涂层在高于1000℃时转变为稳定六方相w-AlN，使其力学性能下降，其抗氧化温度更是低于850℃;Cr-Al-N涂层虽然抗氧化温度高于1000℃，但其在900℃以上会发生热分解而使涂层的力学性能下降。随着高速切削加工技术的不断发展，尤其是切削一些难加工材料时，刀具刃口温度达到1000℃以上，这一温度超过了Ti-Al-N和Cr-Al-N涂层的服役温度。因此，开发新的涂层材料、进一步改善涂层刀具的切削性能成为推动高速切削技术发展的关键技术之一。
　　本论文首先比较目前通用的两种刀具涂层制备技术（阴极弧蒸发和磁控溅射技术）的优劣，确定高效的涂层工艺。在此基础上通过在Ti-Al-N和Cr-Al-N涂层中添加合金元素进一步改善涂层的力学及热性能。本工作所取得的主要研究成果如下:
　　1)相比与磁控溅射沉积涂层的平滑表面，弧蒸发沉积涂层会出现“液滴”缺陷，因而提高了涂层的表面粗糙度。然而，弧蒸发沉积方法由于其沉积粒子高的表面扩散能力，沉积的Ti-Al-N涂层表现出更致密的结构而呈现更好的高温抗氧化性能;低的应力使其热分解温度向低温方向偏移而拥有高的热稳定性;并最终表现出更优异的切削性能。
　　2) Ti-Al-N涂层中添加Si元素促进了w-AlN的形成，涂层表现出硬化效应，Si的加入阻止了Ti-Al-N的热分解过程，因此，Ti-Al-Si-N具有更高的热硬度。Si的加入显著改善了Ti-Al-N涂层的高温抗氧化性能，其高温抗氧化温度由Ti-Al-N的800℃提高到1100℃以上。
　　3) Ti-Al-N涂层中添加Cr元素后，产生固溶强化和细晶强化效应，使涂层的硬度由31.2GPa提高到34.4GPa。因此，虽然Cr的加入促进了Ti-Al-N的热分解过程，但是Ti-Al-Cr-N涂层无论是沉积态还是高温退火态的硬度均大于Ti-Al-N涂层的硬度值。另外，Cr的加入将Ti-Al-N的高温抗氧化温度由800℃提高到900℃。
　　4)在高温时Cr-N涂层中Cr—N键发生断裂，逐步释放出N原子，由Cr2N过渡并最终转化为单质Cr。在Cr-N涂层中加入Al，形成的Al-N键增强了N元素的稳定性，从而改善了Cr-N涂层的热稳定性。Al的加入改善了Cr-N的热稳定性，阻止了涂层在高温氧化时的体积收缩，因此，提高了涂层的高温抗氧化性能。
　　5) Cr-Al-N涂层中添加Zr元素显著提升了涂层的热稳定性，其热稳定温度由Cr-Al-N的900℃提高到1100℃;但在高温氧化时，Zr的优先氧化使Cr-Al-N涂层的高温抗氧化性能大大降低。
　　研究表明，在Ti-Al-N和Cr-Al-N涂层中添加合金元素有利于涂层的高温应用。在Ti-Al-N涂层中添加合金元素Cr或Si均可提高涂层的高温抗氧化性能，并分别通过固溶强化和界面强化效应提高涂层的力学性能;Cr-Al-N涂层中添加Zr元素可有效阻止涂层的热分解行为，从而改善涂层的热稳定性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 涂层的制备方法

1．2．1 物理气相沉积

1．2．2 化学气相沉积(CVD)

1．2．3 其他制备方法

1．3 金属氮化物硬质涂层

1．3．1 Ti-N系列涂层

1．3．2 Cr-N系列涂层

1．3．3 金属氮化物的合金化涂层

1．4 选题背景和研究内容

1．4．1 选题背景

1．4．2 本文研究内容

2 涂层的制备与性能测试

2．1 涂层沉积

2．1．1 磁控溅射(CC800)

2．1．2 阴极弧蒸发(RCS)

2．2 涂层检测方法与检测设备

2．2．1 X射线衍射(XRD)

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．3 纳米压痕(Nano-indentation)

2．3 涂层的热稳定性

2．4 涂层的抗氧化性能

2．5 涂层的切削性能

3 磁控溅射与阴极弧蒸发沉积Ti-Al-N涂层性能对比

3．1 引言

3．2 实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 涂层的微观结构

3．3．2 涂层的热稳定性

3．3．3 涂层的维氏硬度

3．3．4 涂层的抗氧化性能

3．3．5 涂层刀具的切削性能

3．4 本章小结

4 添加Si对Ti-Al-N涂层的微结构与热性能的影响

4．1 引言

4．2 实验

4．3 结果和讨论

4．3．1 涂层的微观结构

4．3．2 涂层的热稳定性和维氏硬度

4．3．3 涂层的抗氧化性能

4．4 本章小结

5 添加Cr对Ti-Al-Cr-N涂层的微结构与热性能的影响

5．1 引言

5．2 实验

5．3 结果和讨论

5．3．1 涂层的微观结构和维氏硬度

5．3．2 涂层的热稳定性

5．3．3 涂层的抗氧化性能

5．3．4 涂层刀具的切削性能

5．4 本章小结

6 Cr1-xAlxN涂层的微结构与热性能

6．1 引言

6．2 实验

6．3 结果和讨论

6．3．1 涂层的微观结构和维氏硬度

6．3．2 涂层的热稳定性

6．3．3 Al含量对涂层抗氧化性能的影响

6．3．4 涂层刀具的切削性能

6．4 本章小结

7 添加Zr对Cr-Al-Zr-N涂层的微结构和热性能的影响

7．1 引言

7．2 实验

7．3 结果和讨论

7．3．1 涂层的微结构和维氏硬度

7．3．2 涂层的热稳定性

7．3．3 涂层的抗氧化性能

7．4 本章小结

8 结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢