纳微米PVD涂层的制备及其性能实验研究
本文采用物理气相沉积方法，使用阴极电弧离子镀技术研究、制备一种超硬纳微米多层梯度涂层，即TiAlSiN超硬涂层，与AlTiN涂层进行性能对比。通过能谱仪（EDAX）分析涂层的元素成分；成分扫描以后涂层的物相结构可以通过X射线衍射（XRD）观察得到；需要借助具有高分辨率性质的透射电子显微镜（HRTEM），并和扫描电子显微镜（SEM）共同使用，以此得到涂层表面和断面形貌图像；无损检测仪测量涂层的厚度；纳米压痕机测量涂层的微观硬度和弹性模量；洛氏硬度计测量涂层的膜基结合力；摩擦磨损试验机表征涂层室温下的摩擦磨损性能；并在KIACENTERV25加工中心上进行了切削实验。主要结论如下： （1）新型纳微米多层梯度涂层工艺制备方法创新，研究适用于产业化超硬涂层的制备工艺。为了增加涂层的层数采用的是交替弧源法，即让4个靶材交替导通并控制导通时间。每沉积一层时，用氩离子进行轰击一次，适当地对新沉积的涂层进行粗化以利于后层涂层的附着。操作简单，可批量生产。 （2）实验制备的AlTiN及TiAlSiN涂层厚度分别为2.604μm、2.798μm；扫描电子显微镜观察到AlTiN及TiAlSiN涂层表面均比较平整，没有裂纹和剥落现象，但是存在针孔、凹坑及白色微粒等缺陷，AlTiN涂层与基体截面处具有致密的柱状结构，柱状结构晶粒粗大，晶界少，使得涂层与基体结合力差，从而严重影响涂层的力学性能，而TiAlSiN涂层与基体之间结合较好表现出较好的力学性能；TiAlSiN涂层的结合力满足德国科学技术协会VDI-3198的HF1标准等级，表明其与基体具有良好的结合性。 （3）TiAlSiN多层涂层的XRD图谱中可以看出，(Ti,Al)N晶相具有(200)的择优生长取向，Si3N4相为非晶态存在。TiAlSiN涂层中Si含量为5.96at.%，两种涂层中Ti、Al的含量相当，N的含量为33.87at.%；由高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）得到的TiAlSiN多层梯度涂层横截面观测图验证涂层的构造方式；TiAlSiN多层梯度涂层硬度和弹性模量分别为27.731GPa和337.998GPa，具有较好的硬度、韧性和耐磨性。运用模量差理论、交变应力场理论和S.Veprek的非晶包裹纳米晶(nc-TiN/α-Si3N4)模型解释了涂层的致硬机理，其中S.Veprek的非晶包裹纳米晶(nc-TiN/α-Si3N4)模型理论起主导作用。 （4）TiAlSiN多层涂层进入稳定状态下的摩擦系数为0.54，磨损体积为2.14×104μm3，磨损率为5.35×105μm3/(N·m)，在常温状态下的磨损机制为轻微粘着磨损和磨粒磨损。由切削力及磨损分析可得，TiAlSiN涂层刀具X方向主切削力比AlTiN涂层刀具降低了18.4%，TiAlSiN涂层刀具Y方向进给力比AlTiN涂层刀具降低了52.9%，TiAlSiN涂层刀具Z方向切深抗力比AlTiN涂层刀具降低了51.8%，TiAlSiN涂层比AlTiN涂层表现出较好的抵抗磨损的能力。 本文设计一种纳微米多层梯度涂层，通过实验手段与理论计算分析其微观形貌，并对其进行摩擦磨损研究，对提升涂层工业应用性有一定的指导意义。
物理气相沉积;TiAlSiN;微观形貌;力学性能
上海应用技术大学
硕士
机械制造及其自动化
吴雁
2020
中文
TG174.4
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）