AlTiN涂层合金划痕测试的失效形式及其失效机理的有限元分析

摘要

为了研究硬质合金基体中硬质相和粘结相对涂层内聚失效抗力(LC1)和膜基结合力(LC2)的协同作用,设计制备了具有硬质相+粘结相两相结构的WC-10Co-0.65Cr3C2-0.35VC(10Co)、无金属粘结相WC-6Mo2C-0.68Cr3C2-0.37VC(bWC)和无硬质相85.1Co-9.2W-4.7Cr3C2-1.0VC(CoW)合金.采用直流磁控溅射技术,在上述合金基体表面分别沉积了厚度约5μm的Al0.55Ti0.45N薄膜.通过划痕测试获得的LC1和LC2及其差值,对涂层的失效形式进行了表征.通过划痕测试过程中涂层应力分布的有限元分析,研究涂层合金划痕失效形式所对应的形成机理.在此,LC1对应涂层首次被剥离或基体首次被暴露时所对应的载荷,与涂层的内聚失效抗力呈正相关关系;LC2对应涂层被完全从基体剥离时的载荷,表征涂层合金的膜基结合强度.在此基础上,进一步研究WC-Co合金基体中WC晶粒度和Co含量对涂层合金划痕测试过程中涂层中应力分布的影响.结果表明,采用软质CoW合金基体,涂层的LC1和LC2均为最低;采用硬质bWC合金基体,涂层的LC2最大,但LC1和LC2差值也最大;采用10Co合金基体,涂层的LC1最大,LC1和LC2差值最小.涂层与基体的杨氏模量比和基体硬度是影响LC1和LC2的关键因素.降低硬质合金基体的晶粒度,选择适中的Co含量,均有利于LC1和LC2的同步改善.