【摘 要】
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TiAlN基涂层因具有高的硬度、良好的耐磨性和热稳定性,成为目前切削刀具最为广泛应用的硬质耐磨涂层材料。工业TiAlN基涂层一般采用物理气相沉积（Physical Vapor Deposition,PVD）技术制备。TiAlN基涂层的性能很大程度上取决于PVD制备过程形成的微观结构,以及后续服役时涂层发生调幅分解过程的微结构演变。相场模拟可以描述TiAlN基涂层制备及后续服役过程的微结构演变,为涂
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TiAlN基涂层因具有高的硬度、良好的耐磨性和热稳定性,成为目前切削刀具最为广泛应用的硬质耐磨涂层材料。工业TiAlN基涂层一般采用物理气相沉积（Physical Vapor Deposition,PVD）技术制备。TiAlN基涂层的性能很大程度上取决于PVD制备过程形成的微观结构,以及后续服役时涂层发生调幅分解过程的微结构演变。相场模拟可以描述TiAlN基涂层制备及后续服役过程的微结构演变,为涂层生产工艺的改善和力学性能的提高提供理论指导。论文以TiAlN基涂层为研究对象,对涂层PVD制备及调幅分解过程进行数值模拟研究。首先通过结合高通量相场模拟和层次化多目标优化策略,实现TiN涂层性能与工艺的筛选和设计。再者,发展TiAlN涂层PVD相场模拟与调幅分解模拟的弱耦合策略,研究PVD工艺稳定性对涂层服役过程的影响。论文的主要研究内容及创新点如下:（1）基于大量PVD涂层沉积过程的微结构演变模拟结果,结合平均晶粒尺寸、表面粗糙度、孔隙率及涂层沉积速率等实验数据信息,构建得到PVD工艺参数、相场模型参数与涂层特征性能之间的量化关系。通过研究不同工艺条件下涂层性能的帕累托前沿分布规律,分析了不同涂层性能的相互支配关系。最后,采用层次性多目标优化方法,对具备最优涂层性能的模型参数及工艺参数进行筛选,最终获得与实验设计结果一致的工艺参数设计结果。（2）考虑PVD过程工艺稳定性的影响,提出了PVD涂层相场模拟与调幅分解模拟的弱耦合策略,成功实现了不同成分起伏程度下TiAlN涂层调幅分解过程的微结构演变数值模拟。结果表明TiAlN涂层在1173 K下的调幅分解过程存在明显的阶段性特征,并在一定时效/服役时间后出现显著的成分分离现象。对比不同成分起伏程度对微结构演变模拟结果的影响规律可以发现,制备工艺产生的实验噪声对涂层的成分分离速率、平均波长以及能量演变均存在显著影响。论文基于薄膜生长相场模型和Cahn-Hilliard方程,实现TiAlN基涂层PVD制备及调幅分解过程的数值模拟研究,发展得到层次化多目标涂层性能优化策略和PVD相场模拟和调幅分解数值模拟的弱耦合策略,能够为TiAlN基涂层的PVD工艺设计和性能优化提供理论和方法指导。图29幅,表3个,参考文献99篇
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