论文部分内容阅读
为了适应现代切削技术的发展,本研究工作主要集中于优化高铝AlTiN涂层的高温抗氧化性、摩擦学性能、热稳定性及切削性能。本文从涂层成分和结构的角度出发,采用多元合金化、纳米复合结构和纳米多层结构构建三种方法来改善高铝AlTiN涂层的综合性能。首先探讨加入活性元素Y对多组元AlTiYN涂层力学、抗氧性能及高温摩擦性能的影响;然后通过纳米复合结构,即加入a-Si3N4非晶界面相包裹涂层中的AlTiN纳米晶,显著提高AlTiSiN涂层的抗氧化性能,并研究其切削行为;最后研究不同调制周期对AlTiN/AlTiSiYN纳米多层涂层界面结构、热稳定性和切削寿命及失效机理的影响。本文主要总结如下:1)AlTiN涂层中掺杂活性元素Y形成固溶体结构涂层后,涂层晶粒发生细化,组织结构致密化,硬度及韧性增加,结合强度显著提升。XRD物相分析表明,Y元素固溶于AlTiN晶格中,AlTiN及AlTiYN涂层XRD特征衍射峰位均向低角度发生偏移。添加0.76 at.%活性元素Y增强了AlTiN涂层其高温抗氧化能力,AlTiYN涂层在800°C900°C下磨损率均低于AlTiN涂层,900°C时AlTiYN涂层摩擦系数从0.45（800°C）降低至0.35,掺杂活性元素Y有效提高了AlTiN的耐磨减摩性能。2)添加SiNx界面相,降低了Al在TiN中的溶解度,导致h-AlN析出、涂层硬度下降,但涂层抗塑性变形能力增加,结合强度显著提升。XRD物相分析表明,AlTiSiN和AlTiSiY组成相有固溶体c-（Al,Ti）N、h-AlN和c-TiN。AlTiSiN和AlTiSiYN涂层较AlTiN涂层有更为优良的高温抗氧化性能,Si元素促进Al元素的扩散,在表层优先形成具有保护性的致密氧化层,Y元素活性强,极易与氧化发生反应生成Y2O3于晶界处,阻碍氧元素向内扩散,从而最终协同提高了涂层的高温抗氧化性,其氧化起始温度分别可高达至1080°C和1100°C。AlTiSiYN涂层有着优良的结合力、高温抗氧化性和热稳定性,因此其车削加工工件SKD11的寿命高于AlTiN及AlTiYN涂层刀具。3)具有三种不同调制周期（Λ=20.9、13.6、6.2 nm）的AlTiN/AlTiSiYN纳米多层涂层组织结构致密,晶粒细小。三种涂层的力学硬度值相差不大,Λ=13.6 nm的涂层硬度最高,达23.5±0.5 GPa。多层结构的引入促进AlTiN涂层的调幅分解,与此同时还能抑制h-AlN的形成,从而扩展纳米多层AlTiN/AlTiSiYN涂层的时效硬化温度区间,提高了涂层的高温热稳定性。在车削实验中,三种不同调制周期的AlTiN/AlTiSiYN涂层,切削寿命基本相近,具有纳米多层结构的涂层切削寿命比多组元涂层或是纳米复合涂层的寿命高;在切削过程中,主要磨损失效的机理是粘着磨损和氧化磨损。