ZrN、CrN基硬質涂層的制備及其力學性能、高溫氧化行為研究.pdf

1、現(xiàn)代加工業(yè)的發(fā)展，特別是高速切削、干切削工藝的出現(xiàn)以及日益增多的難加工材料，對刀具涂層提出了越來越嚴格的要求，苛刻的服役條件要求刀具涂層必須具備更高的硬度、耐磨性、高溫抗氧化性以及足夠的強度和韌性。廣泛應用的TiN、TiC涂層以及在此基礎上發(fā)展起來的TiCN，TiAlN、TiAlCN等單層/多層硬質涂層，已不能夠滿足現(xiàn)代加工業(yè)的發(fā)展對刀具涂層材料提出的更高要求。由于非鈦的ZrN、CrN基硬質涂層具有優(yōu)異的力學、高溫抗氧化性能以及在加工鈦

2、及鈦合金、高速干式切削工藝中的優(yōu)越性，成為目前硬質涂層領域的研究熱點。近十年來，研究者們對ZrN、CrN基硬質涂層已經開展了相關研究，并且能夠制備出一些具有良好的力學性能以及高溫抗氧化性能的硬質涂層，但目前仍存在一些難題和挑戰(zhàn)，亟待深入研究，譬如涂層的生長以及結構演變過程、涂層的工藝參數(shù)-組成、結構-力學性能之間的相互關系以及相關的致硬機理、涂層高溫氧化過程中的微觀結構演變、Al元素摻入對提高涂層高溫抗氧化性能的作用機制以及尋求新的涂層

3、體系進一步改善硬質涂層的力學及高溫抗氧化性能等。
　　 因此，本文以ZrN、CrN基硬質涂層為研究對象，系統(tǒng)地研究了反應磁控濺射的工藝參數(shù)對ZrN、CrN涂層的組成、結構及力學性能的影響，探討了ZrN、CrN涂層的工藝參數(shù)-組成、結構-力學性能之間的相互關系以及相關的致硬機理;闡明了ZrN、CrN涂層高溫氧化過程中的相轉變、微觀結構演變過程及其對涂層高溫抗氧化性能的影響;研究了Al元素對ZrN、CrN基涂層的力學以及高溫氧化抗性

4、能的影響，揭示了Al元素對提高ZrAlN、CrAlN涂層高溫抗氧化性能的本質原因;通過摻入Y有效的提高了ZrN、CrAlN涂層的力學以及高溫抗氧化性能，并深入探討了Y的作用機制，為包括稀土元素在內的反應活性元素在硬質涂層領域的應用提供了理論依據(jù)。所取得的主要結論及成果如下:
　　 1、氮氣流量百分比對ZrN涂層的組成、生長取向以及微觀結構的影響主要歸結于靶材中毒以及沉積粒子擴散時間的改變;沉積壓強以及基體偏壓對涂層的生長取向、應

5、力狀態(tài)以及微觀結構的影響主要歸結于沉積粒子能量、數(shù)量的改變及其對已沉積涂層表面的轟擊作用。涂層的致硬機理為取向增強、細晶強化以及應力增強。首次發(fā)現(xiàn)了納米ZrN涂層的反Hall-Petch效應，并采用修正的Eshelby公式估算了納米結構硬質涂層由Hall-Petch效應向反Hall-Petch效應轉變的臨界晶粒尺寸，理論計算結果與實驗觀察一致;提出了一種復合硬度的模型，解釋了反Hall-Petch效應的本質原因，為制備具有優(yōu)異力學性能的

6、納米結構硬質涂層提供了理論指導。首次利用高溫原位XRD以及TEM確定了ZrN涂層在高溫氧化時首先生成t-ZrO2，并逐漸向m-ZrO2轉變的過程，揭示了ZrN涂層高溫抗氧化性能較低的本質原因。
　　 2、多種分析方法聯(lián)用確定了CrNx涂層結構隨氮氣流量百分比以及靶材功率變化的演變規(guī)律。涂層的硬度取決于涂層的化學組成、顯微結構以及應力狀態(tài)。通過控制工藝參數(shù)可以實現(xiàn)對CrNx涂層組成、結構以及力學性能的調控。CrNx涂層的高溫氧化行

7、為的研究結果闡明了Cr2N涂層的高溫抗氧化性能低于CrN涂層的本質原因即Cr2N涂層在高溫氧化時轉變?yōu)镃rN，該轉變伴隨著20％的體積膨脹導致了由相轉變生成的CrN疏松多孔，為氧氣以及Cr離子的擴散提供了快速通道。
　　 3、當Al元素含量低于由fcc向hcp結構轉變的臨界值時，Al元素的摻入有效的提高了ZrN、CrN涂層的力學以及高溫抗氧化性能。ZrAlN在高溫氧化時生成了非晶Al2O3包裹Al2O3穩(wěn)定的t-ZrO2的納米復

8、合結構，該結構既限制了t-ZrO2向m-ZrO2的馬氏體相轉變，又降低了氧化層與氮化層的摩爾體積差異，使得氧化層內孔洞及裂紋等缺陷的數(shù)量降低，從而提高了涂層的高溫抗氧化性能;CrAlN高溫氧化時，由于Al元素的選擇性氧化，氧化層為富Al的(AlCr)2O3，結構致密，有效的降低O的內擴散，使得涂層具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能。造成Al元素對ZrAlN、CrAlN涂層高溫抗氧化性能提高的作用機制存在差別的本質原因為Al2O3-ZrO2、Al2

9、O3-Cr2O3的固溶度以及氧勢的差異。
　　 4、首次采用Y摻入ZrN涂層中，使其在高溫氧化時生成Y2O3穩(wěn)定的t-ZrO2氧化層，降低了由t-ZrO2向m-ZrO2的馬氏體相變導致的氧化層內裂紋及孔洞的數(shù)量，有效的提高了ZrN涂層的高溫抗氧化性能;當Y量超過10％時，由于涂層與氧的親和力以及氧化層內氧空位數(shù)量的增加導致涂層的高溫抗氧化性能降低。5％以下的Y摻入提高了ZrN、CrAlN涂層的硬度及涂層-基體的結合力。0.6％-