【摘 要】
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近年来,随着加工制造业的飞速发展,材料的加工难度越来越大,对切削刀具提出了巨大挑战。TiN基硬质涂层具有高硬度、高耐磨性、良好的耐腐蚀性以及优异的抗高温氧化性等优点,在现代金属切削刀具材料中扮演着越来越重要的角色。在实际生产过程中面临的高温高热、高盐度、高腐蚀性以及潮湿的服役环境,对硬质涂层刀具的性能提出了更严峻的挑战。本文选用物理气相沉积技术（Physical vapor deposition,
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近年来,随着加工制造业的飞速发展,材料的加工难度越来越大,对切削刀具提出了巨大挑战。TiN基硬质涂层具有高硬度、高耐磨性、良好的耐腐蚀性以及优异的抗高温氧化性等优点,在现代金属切削刀具材料中扮演着越来越重要的角色。在实际生产过程中面临的高温高热、高盐度、高腐蚀性以及潮湿的服役环境,对硬质涂层刀具的性能提出了更严峻的挑战。本文选用物理气相沉积技术（Physical vapor deposition,简称PVD）在硬质合金WC-Co基体材料上沉积不同成分的Ti1-xAlxN（x=0.25,0.55,0.60,0.67）涂层,采用化学气相沉积（Chemical vapor deposition,简称CVD）制备TiN、TiSiN、TiSiCN、Ti Al Si N以及富Al的Ti0.17Al0.83N涂层,利用扫描电镜（SEM）对涂层表面和断面的微观形貌进行观察,借助能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）和纳米压痕硬度仪对涂层的成分组成、物相结构及硬度进行表征,采用电化学工作站对涂层进行耐蚀性测试,揭示制备工艺、元素添加及Al含量变化对涂层微观组织、力学性能以及耐蚀性的影响规律,通过对比研究PVD-Ti0.40Al0.60N和LPCVD-Ti0.13Al0.83N涂层的腐蚀行为,讨论了其腐蚀机理。研究结果如下:（1）CVD制备的TiN、TiSiN、TiSiCN、Ti Al Si N四种涂层表面呈球状或胞状结构,TiN、TiSiN、TiSiCN三种涂层呈柱状晶生长,且涂层中以Ti（C,N）相为主,而Ti Al Si N涂层则表现为类似于非晶态形貌,为涂层的晶粒细化提供有利条件,使其拥有最高的硬度值（3793 HV）。由电化学测试结果可知:Si元素的添加提高了涂层的耐蚀性。根据自腐蚀电流密度Icorr对四种涂层耐蚀性排序为Ti Al Si N＞TiSiCN＞TiSiN＞TiN。通过浸泡腐蚀研究涂层在1 mol/L HCl溶液中的长期腐蚀行为,结果表明,Ti Al Si N涂层拥有最低的腐蚀速率和失重率。（2）PVD制备四种Al含量不同的Ti1-xAlxN涂层表面存在明显熔滴与孔洞等微缺陷,涂层的生长方式为柱状晶生长。随着Al含量的增加,Ti1-xAlxN涂层的硬度先增大后减小,Ti0.40Al0.60N拥有最高的硬度值（3335.2 HV）。电化学测试表明,Ti1-xAlxN涂层耐蚀性随着Al元素含量的增加呈现先增强后减弱的趋势,当含量超过0.60时,出现较软的第二相w-AlN,不仅降低了涂层硬度,并与原有的fcc-AlN/TiN相结构产生电位差,形成电偶腐蚀,降低涂层的耐蚀性。而采用低压化学气相沉积制备（Low pressure chemical vapor deposition,简称LPCVD）的新型富Al涂层Ti0.17Al0.83N保持纯FCC结构,同时由于其表面致密的三棱锥结构阻碍了腐蚀介质的渗入,使其具有最佳的耐蚀性。（3）由PVD-Ti0.40Al0.60N和LPCVD-Ti0.17Al0.83N两种涂层在5 mol/L HCl溶液中浸泡腐蚀后的表面形貌可知,富Al涂层表面腐蚀倾向较小,在三棱锥交界处存在大量球形氧化物。X射线电子能谱（XPS）测试结果表明,Ti1-xAlxN的钝化膜由Ti O2和Al2O3两种氧化物组成,Al含量的提高有利于氧化物形成,加强钝化膜的保护性,同时能够抑制腐蚀介质中破坏性离子O2-和Cl-的侵蚀,提高涂层耐蚀性,从而起到保护基体的作用。
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