AlN基硬質涂層熱穩(wěn)定性、高溫氧化行為及耐腐蝕性能研究.pdf

1、AlN基硬質涂層具有高硬度、耐磨、化學性質穩(wěn)定、良好的高溫抗氧化性以及優(yōu)異的耐腐蝕性能等特點，在現(xiàn)代金屬切削刀具市場中發(fā)揮著越來越大的作用，面對高溫、潮濕、高鹽度等各種復雜服役環(huán)境，對其不同工況條件下的使用性能提出了更高的要求。
　　采用電弧離子鍍技術在GK05、GU20和GU25UF三種不同牌號的硬質合金基體上沉積三種不同的涂層AlTiN、AlCrN和AlCrSiWN，考察分析了三種涂層的顯微組織結構、硬度、彈性模量及膜基結合力

2、等綜合力學性能，在此基礎上對比研究了三種涂層的熱穩(wěn)定性能、高溫抗氧化性能以及電化學腐蝕行為，探討了AlN基硬質涂層的高溫氧化元素遷移機制與電化學腐蝕機理，主要結論如下:
　　1.顯微組織結構與綜合力學性能檢測結果表明，AlTiN涂層表面存在明顯的液滴與孔洞缺陷，AFM結果表明其粗糙度(42.5μm)相對較大，涂層截面呈柱狀晶結構生長，其硬度(25.9 GPa)最低;與AlTiN涂層相比，AlCrN和AlCrSiWN涂層的表面缺陷明

3、顯減少，液滴現(xiàn)象得到改善，且均呈細晶生長，柱狀晶結構得到消除。其中由于Si元素的添加起到細化晶粒的作用，AlCrSiWN涂層硬度(33.96 GPa)最高，但其膜基結合力明顯降低。沉積在GK05、GU20和GU25UF硬質合金上的AlCrN涂層與三種基體的膜基結合力最好，膜基結合力的大小還與硬質合金基體的晶粒度成反相關。
　　2.AlTiN、AlCrN和AlCrSiWN三種涂層都表現(xiàn)為fcc-AlN立方結構，但AlTiN涂層由于處

4、于相轉變臨界點，出現(xiàn)了明顯的寬化現(xiàn)象。AlCrSiWN涂層中沒有檢測到Si3N4相，但依據(jù)XPS中檢測出Si-N化學鍵的存在，可以推測其已經(jīng)形成了非晶Si3N4相，但進一步結論需待TEM結果進行佐證。
　　3.熱穩(wěn)定實驗結果表明，不同溫度熱處理后的AlTiN涂層物相演變、硬度演變與AlCrN和AlCrSiWN涂層的截然不同。AlTiN涂層發(fā)生時效硬化現(xiàn)象，硬度隨溫度的上升而增加，直到柔軟相hcp-AlN的出現(xiàn)使得涂層硬度急劇下降至

5、22.78 GPa。而AlCrN和AlCrSiWN涂層在高溫熱處理條件下的分解過程不存在spinodal分解，由于沒有時效硬化現(xiàn)象，隨熱處理溫度的上升硬度大幅減小，相對AlCrN涂層來說，AlCrSiWN涂層高溫熱處理后硬度下降幅度更大，熱穩(wěn)定性較AlCrN涂層更差。
　　4.高溫氧化實驗結果表明，AlTiN涂層起始氧化溫度為700℃，而AlCrN和AlCrSiWN涂層到900℃才開始出現(xiàn)明顯氧化現(xiàn)象;AlTiN涂層的氧化層上層以

6、Al2O3氧化層為主，下層是Al2O3和TiO2的混合物雙層氧化層結構，疏松多孔的TiO2致使其高溫抗氧化性能在三種涂層中相對最差。AlCrN涂層的氧化層結構為Al2O3/Cr2O3混合氧化層，而AlCrSiWN涂層在此基礎上還具有致密的SiO2氧化層，摻雜的Si元素能夠促進Al2O3的生成，同時AlTi(Cr)N-Si3N4納米復合結構協(xié)同提高了AlCrSiWN涂層的高溫抗氧化性能。
　　5.電化學腐蝕實驗表明，與未鍍涂層的硬質

7、合金基體相比，涂層硬質合金的耐腐蝕性能得到了明顯的改善。三種涂層孔隙率的排序為:AlTiN＞AlCrN＞AlCrSiWN，而icorr值和Rct值同時表明，三種涂層的耐腐蝕性能排序為:AlCrSiWN＞AlCrN＞AlTiN; AlTiN涂層晶粒為柱狀晶，其表面存在明顯液滴與孔洞缺陷，這些缺陷為腐蝕電解質的擴散提供了快速通道，因此AlTiN涂層的耐腐蝕性能最差。具有致密顯微組織結構的AlCrSiWN涂層表現(xiàn)出最好的耐腐蝕性能，這可能與其