ZrN、CrN基硬質(zhì)涂層的制備及其力學(xué)性能、高溫氧化行為研究.pdf

1、現(xiàn)代加工業(yè)的發(fā)展，特別是高速切削、干切削工藝的出現(xiàn)以及日益增多的難加工材料，對(duì)刀具涂層提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求，苛刻的服役條件要求刀具涂層必須具備更高的硬度、耐磨性、高溫抗氧化性以及足夠的強(qiáng)度和韌性。廣泛應(yīng)用的TiN、TiC涂層以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的TiCN，TiAlN、TiAlCN等單層/多層硬質(zhì)涂層，已不能夠滿足現(xiàn)代加工業(yè)的發(fā)展對(duì)刀具涂層材料提出的更高要求。由于非鈦的ZrN、CrN基硬質(zhì)涂層具有優(yōu)異的力學(xué)、高溫抗氧化性能以及在加工鈦

2、及鈦合金、高速干式切削工藝中的優(yōu)越性，成為目前硬質(zhì)涂層領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近十年來(lái)，研究者們對(duì)ZrN、CrN基硬質(zhì)涂層已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研究，并且能夠制備出一些具有良好的力學(xué)性能以及高溫抗氧化性能的硬質(zhì)涂層，但目前仍存在一些難題和挑戰(zhàn)，亟待深入研究，譬如涂層的生長(zhǎng)以及結(jié)構(gòu)演變過(guò)程、涂層的工藝參數(shù)-組成、結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能之間的相互關(guān)系以及相關(guān)的致硬機(jī)理、涂層高溫氧化過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變、Al元素?fù)饺雽?duì)提高涂層高溫抗氧化性能的作用機(jī)制以及尋求新的涂層

3、體系進(jìn)一步改善硬質(zhì)涂層的力學(xué)及高溫抗氧化性能等。
　　 因此，本文以ZrN、CrN基硬質(zhì)涂層為研究對(duì)象，系統(tǒng)地研究了反應(yīng)磁控濺射的工藝參數(shù)對(duì)ZrN、CrN涂層的組成、結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，探討了ZrN、CrN涂層的工藝參數(shù)-組成、結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能之間的相互關(guān)系以及相關(guān)的致硬機(jī)理;闡明了ZrN、CrN涂層高溫氧化過(guò)程中的相轉(zhuǎn)變、微觀結(jié)構(gòu)演變過(guò)程及其對(duì)涂層高溫抗氧化性能的影響;研究了Al元素對(duì)ZrN、CrN基涂層的力學(xué)以及高溫氧化抗性

4、能的影響，揭示了Al元素對(duì)提高ZrAlN、CrAlN涂層高溫抗氧化性能的本質(zhì)原因;通過(guò)摻入Y有效的提高了ZrN、CrAlN涂層的力學(xué)以及高溫抗氧化性能，并深入探討了Y的作用機(jī)制，為包括稀土元素在內(nèi)的反應(yīng)活性元素在硬質(zhì)涂層領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。所取得的主要結(jié)論及成果如下:
　　 1、氮?dú)饬髁堪俜直葘?duì)ZrN涂層的組成、生長(zhǎng)取向以及微觀結(jié)構(gòu)的影響主要?dú)w結(jié)于靶材中毒以及沉積粒子擴(kuò)散時(shí)間的改變;沉積壓強(qiáng)以及基體偏壓對(duì)涂層的生長(zhǎng)取向、應(yīng)

5、力狀態(tài)以及微觀結(jié)構(gòu)的影響主要?dú)w結(jié)于沉積粒子能量、數(shù)量的改變及其對(duì)已沉積涂層表面的轟擊作用。涂層的致硬機(jī)理為取向增強(qiáng)、細(xì)晶強(qiáng)化以及應(yīng)力增強(qiáng)。首次發(fā)現(xiàn)了納米ZrN涂層的反Hall-Petch效應(yīng)，并采用修正的Eshelby公式估算了納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)涂層由Hall-Petch效應(yīng)向反Hall-Petch效應(yīng)轉(zhuǎn)變的臨界晶粒尺寸，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察一致;提出了一種復(fù)合硬度的模型，解釋了反Hall-Petch效應(yīng)的本質(zhì)原因，為制備具有優(yōu)異力學(xué)性能的

6、納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)涂層提供了理論指導(dǎo)。首次利用高溫原位XRD以及TEM確定了ZrN涂層在高溫氧化時(shí)首先生成t-ZrO2，并逐漸向m-ZrO2轉(zhuǎn)變的過(guò)程，揭示了ZrN涂層高溫抗氧化性能較低的本質(zhì)原因。
　　 2、多種分析方法聯(lián)用確定了CrNx涂層結(jié)構(gòu)隨氮?dú)饬髁堪俜直纫约鞍胁墓β首兓难葑円?guī)律。涂層的硬度取決于涂層的化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力狀態(tài)。通過(guò)控制工藝參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CrNx涂層組成、結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的調(diào)控。CrNx涂層的高溫氧化行

7、為的研究結(jié)果闡明了Cr2N涂層的高溫抗氧化性能低于CrN涂層的本質(zhì)原因即Cr2N涂層在高溫氧化時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)镃rN，該轉(zhuǎn)變伴隨著20％的體積膨脹導(dǎo)致了由相轉(zhuǎn)變生成的CrN疏松多孔，為氧氣以及Cr離子的擴(kuò)散提供了快速通道。
　　 3、當(dāng)Al元素含量低于由fcc向hcp結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的臨界值時(shí)，Al元素的摻入有效的提高了ZrN、CrN涂層的力學(xué)以及高溫抗氧化性能。ZrAlN在高溫氧化時(shí)生成了非晶Al2O3包裹Al2O3穩(wěn)定的t-ZrO2的納米復(fù)

8、合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)既限制了t-ZrO2向m-ZrO2的馬氏體相轉(zhuǎn)變，又降低了氧化層與氮化層的摩爾體積差異，使得氧化層內(nèi)孔洞及裂紋等缺陷的數(shù)量降低，從而提高了涂層的高溫抗氧化性能;CrAlN高溫氧化時(shí)，由于Al元素的選擇性氧化，氧化層為富Al的(AlCr)2O3，結(jié)構(gòu)致密，有效的降低O的內(nèi)擴(kuò)散，使得涂層具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能。造成Al元素對(duì)ZrAlN、CrAlN涂層高溫抗氧化性能提高的作用機(jī)制存在差別的本質(zhì)原因?yàn)锳l2O3-ZrO2、Al2

9、O3-Cr2O3的固溶度以及氧勢(shì)的差異。
　　 4、首次采用Y摻入ZrN涂層中，使其在高溫氧化時(shí)生成Y2O3穩(wěn)定的t-ZrO2氧化層，降低了由t-ZrO2向m-ZrO2的馬氏體相變導(dǎo)致的氧化層內(nèi)裂紋及孔洞的數(shù)量，有效的提高了ZrN涂層的高溫抗氧化性能;當(dāng)Y量超過(guò)10％時(shí)，由于涂層與氧的親和力以及氧化層內(nèi)氧空位數(shù)量的增加導(dǎo)致涂層的高溫抗氧化性能降低。5％以下的Y摻入提高了ZrN、CrAlN涂層的硬度及涂層-基體的結(jié)合力。0.6％-