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】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℃。C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。
【作者】杨兵；
【导师】杜勇；陈利；
【作者基本信息】中南大学，材料物理与化学，2014，博士
【关键词】物理气相沉积；Ti-Al-N涂层；Cr-Al-N涂层；热稳定性；抗氧化性；

【参考文献】
[1]阚文文.《儒林外史》审美探索[D].曲阜师范大学,中国古代文学,2004,硕士.
[2]兰琛.车联网专用短程通信和定位技术的研究与应用[D].浙江大学,2014.
[3]王成峰,周爱,王利光,陈国庆.碳电极桥接富勒烯分子C_(36)的电子学特性研究[J].黑龙江大学自然科学学报,2013,06:815-818+826.
[4]刘梦虹.移动互联网环境下安徽省高校图书馆知识推荐研究[D].安徽大学,图书馆学,2013,硕士.
[5]郝思文.基于产业生命周期的环保产业发展研究及在中国的应用[D].清华大学,环境科学与工程,2013,硕士.
[6]许蕾.情势变更原则在我国的适用及完善[D].河北大学,法律,2014,硕士.
[7]郭毅辉.网络联盟企业的资源管理研究[D].广东工业大学,2004.
[8]郑勇峰.察打一体化无人机总体方案设计[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[9]郭利平.探讨我国社会保险基金绩效审计的评价体系[D].山西财经大学,会计学,2013,硕士.
[10]蔡桂琴.职校生“写作恐惧症”成因分析与对策研究[D].福建师范大学,教育,2003,硕士.
[11]杨俊杰.地区经济运行分析预测系统的设计与实现[D].天津大学,软件工程,2013,硕士.
[12]张宏生,沈可.基于数据仓库的科研信息系统研究初探[J].数理医药学杂志,2005,03:283-284.
[13]汤永.列车运行图的稳定性分析[D].北京交通大学,交通信息工程及控制,2013,硕士.
[14]李晨.奥林匹克运动中的冷战研究（1950年代-1990年代初）[D].华中师范大学,国际关系史,2013,硕士.
[15]冯媛,赵振宇,姚文波,杨玉凯,张明空.电子制冷隧道温湿度控制系统的设计与实现[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2014,05:74-77.
[16]邓子军.棕色脂肪组织来源的干细胞向起搏细胞的定向分化[D].第二军医大学,人体解剖与组织胚胎学,2013,硕士.
[17]梅力丹.心灵清洁，自我实现[D].四川外国语大学,比较文学与世界文学,2013,硕士.
[18]史洪雷.明成祖继统与永乐时期政治组合研究[D].黑龙江大学,中国古代史,2013,硕士.
[19]金莹.智能手机的音乐播放软件界面设计研究[D].华东理工大学,工业设计工程,2013,硕士.
[20]丁继华.英语政治演讲中主位及主位推进模式分析[D].安徽大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[21]吴娟.军用信息自动分类的研究与实现[D].南京理工大学,2004.
[22]王潇.碳纳米管氯化改性及其去除消毒副产物三氯甲烷的研究[D].哈尔滨工业大学,无机化学,2013,硕士.
[23]王莲芬.西飞:工程类研究生的育才基地[J].高等工程教育研究.2004(06)
[24]李跃飞.秦淮河氮、磷时空动态特征及基于硝态氮氮同位素方法的氮源辨别[D].南京农业大学,土壤学,2013,硕士.
[25]ThomasS.Huang.基于二维关节型人体模型和EM算法的人体跟踪(英文)[J].自动化学报,2003,03:332-344.
[26]吴立胜.生长抑素类似物奥曲肽抑制体外培养人胆管癌细胞生长及其可能机制的实验研究[D].安徽医科大学,外科学,2004,硕士.
[27]袁明文.石墨烯基电子学研究进展[J].微纳电子技术,2010,10:589-594.
[28]叶昕鑫.基于图像的微化工过程液位与流量测量[D].浙江大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[29]蒋仲铭.对提高我国牵引动力技术应变能力的浅见[J].内燃机车.1992(10)
[30]武彦斌.模具CAPP中工艺数据管理和工艺生成方法的研究[D].大连理工大学,机械制造及其自动化,2004,硕士.
[31]付凡.南昌市“一大四小”工程的水土保持综合效益评价[D].江西农业大学,土壤学,2012,硕士.
[32]张丽芳.非线性时滞反应扩散方程的有限差分方法[D].华东师范大学,计算数学,2004,硕士.
[33]苏晓峰.利用寄主诱导的基因沉默进行大丽轮枝菌致病力相关基因的研究[D].中国农业科学院,生物化学与分子生物学,2014,博士.
[34]何腾腾.大学生妒忌的量表编制及其相关研究[D].西南大学,基础心理学,2013,硕士.
[35]高志华,任震,黄雯莹,朱然,吴国玥.发电机组竞争检修机制[J].电力系统自动化,2005,07:38-42.
[36]王春.2，7-二甲基-2，4，6-辛三烯-1，8-二醛的合成与研究[D].浙江大学,应用化学,2004,硕士.
[37]赵信刚.基于芳香体系的非线性光学材料设计及理论研究[D].吉林大学,物理化学,2014,硕士.
[38]郭雨春,董大明.下一代互联网技术展望[J].冶金自动化,2005,04:10-12.
[39]王爱军.叙事客观化:论中国现代散文体小说的叙述修辞[J].聊城大学学报(社会科学版),2014,03:43-49+64.
[40]张晓丹.白术、茯苓与白术茯苓汤对脾虚泄泻动物模型胃肠形态及水液代谢的影响研究[D].成都中医药大学,方剂学,2012,硕士.
[41]吴逾峰.我国金融市场化进程中金融监管研究[D].中央民族大学,政治经济学,2004,硕士.
[42]李洋.公司治理对股票收益率的影响研究[D].山东财经大学,金融学,2013,硕士.
[43]王新强.知识管理的五项修炼[D].天津大学,公共管理,2004,硕士.
[44]许晓菲,牟涛,贾琳,江长明,高洵,刘纯.大规模风电汇集系统静态电压稳定实用判据与控制[J].电力系统自动化,2014,09:15-19+33.
[45]梁胜昌.基于3P模型的一汽集团自主体系基层管理人员薪酬研究[D].吉林大学,工商管理,2014,硕士.
[46]李国强.法律人格的相对化分析[D].吉林大学,民商法学,2004,硕士.
[47]迟聪.社会转型期我国城市公共危机管理问题研究[D].长春工业大学,行政管理,2013,硕士.
[48]魏阁宏.农地流转渠道关系稳定性研究[D].西安建筑科技大学,工程经济与管理,2013,硕士.
[49]熊俊诚,韩娜,王争争,陈素梅,张兴祥,王栋,王宁,李伟.丙烯腈-丙烯酸甲酯微孔膜的制备及成膜性能[J].高分子材料科学与工程.
[50]李再.胡锦涛党群关系理论研究[D].武汉纺织大学,马克思主义基本原理,2013,硕士.