金属掺杂TiB2基涂层的结构和韧性研究

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硬质涂层由于具有高硬度(>20GPa)、高强度、高弹性模量、耐磨损和耐腐蚀等性能,广泛应用于切削刀具、矿用工具和耐磨耐蚀零部件的表面防护上。随着新领域的不断拓展,为满足各种使役条件,提高工具效率和使用寿命,对硬质涂层性能提出了挑战。针对传统硬质涂层硬度高而韧性低的缺点,近几年,人们试图把块体中WC-Co的成功例子引入到涂层材料中。即利用软质金属掺杂来提高陶瓷的韧性,形成一种陶金纳米复合涂层。但大多数韧性的提高是以牺牲硬度为代价的。本实验采用磁控溅射共沉积的方法,通过调节Ni的含量,制备出了TiB2-Ni涂层,研究了不同Ni含量对涂层微结构、硬度、韧性以及摩擦学性能的影响。利用多种韧性表征手段对涂层的韧性性能进行了表征。通过分别掺入相同含量(~10at.%)的Cu和Ag制备出了TiB2-Cu和TiB2-Ag涂层。初步研究了其他金属对涂层韧性的改善作用,并对其结构和力学性能进行了分析。本研究主要结论如下:(1)结构方面:Ni的掺入对涂层生长结构的影响不大,所有涂层都为柱状结构。对晶粒结构影响比较显著:所有TiB2-Ni涂层中TiB2以晶态形式存在,Ni以非晶相存在。TiB2涂层为单相结构,当Ni含量增加到10.8at.%时,形成了两相胞状结构,并且这一结构Ni与TiB2间有化学键的存在。(2)力学性能方面:Ni含量在0~10.8at.%之间时,所有涂层均保持在较高的硬度(>35GPa)。而且Ni掺入后,韧性都有所提高。利用划痕、压痕和塑性指数δH对韧性进行表征发现,当Ni含量达到10.8at.%时,在保持高硬度(>35GPa)的同时,韧性改善显著,实现了涂层的硬且韧。(3)利用摩擦磨损实验对TiB2涂层和TiB2-10.8at.%Ni涂层不同载荷下的摩擦系数、磨损形貌、磨损率进行了分析。结果表明,在低载荷下(2N),韧性的提高有利于涂层摩擦性能的改善;高载荷下(5N),宏观缺陷为主要影响因素,由于Ni掺杂TiB2涂层柱状结构较疏松,摩擦性能无改善。(4)金属Cu、Ag掺杂对TiB2涂层结构和性能影响不同。Cu的掺杂促进了晶粒长大,柱状结构较明显,未发现Cu的晶态相;而Ag以晶态形式与TiB2晶体共存,Ag的析出抑制了柱状结构的生长。两种金属的掺杂在保持涂层高硬度的同时均具有增韧效果。
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