电弧离子镀TiAlN基涂层的制备及其性能研究

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1、广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）电弧离子镀TiAlN基涂层的制备及其性能研究费加喜二○一八年五月分类号：学校代号：11845UDC：密级：学号：2111501130广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）电弧离子镀TiAlN基涂层的制备及其性能研究费加喜指导教师姓名、职称：王启民教授专业或领域名称：机械工程学生所属学院：机电工程学院论文答辩日期：2018年5月ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDegreeofMaster(Mas

2、terofEngineering)StudyonthepreparationandpropertiesofTiAlN-basedcoatingsdepositedbyArcIonPlatingCandidate:FeiJiaxiSupervisor:Prof.WangQiminMay2018SchoolofElectromechanicalEngineeringGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou,Guangdong,P.R.China,510006摘要摘要过渡族金属氮化

3、物硬质涂层作为改善切削刀具性能的有效手段在机械加工领域得到广泛应用，其具有优异的力学和耐磨性能可以极大的延长刀具的切削寿命。其中，AlTiN涂层具有较高的硬度和较好的抗氧化性能，是目前应用最广的刀具涂层材料。然而，随着高速干切削的发展，尤其是在切削加工一些难加工材料（如钛合金）时，刀具的切削刃温度可达1000℃以上，超过AlTiN涂层服役温度。因而，寻求改善AlTiN涂层性能的措施，研发更高硬度和耐磨性能的涂层材料，对提高涂层刀具的应用范围具有重要的意义。本工作结合涂层制备技术优化和材料改性手段，来开发具有更好表面

4、质量和优异力学、耐磨性能的AlTiN基涂层材料，以服役于钛合金的高速切削加工。首先，通过改变脉冲电弧的频率和脉冲宽度来优化AlTiN涂层的脉冲电弧制备工艺。然后，在优化的脉冲沉积参数的基础上，通过改变AlTi靶和Cr靶的电流制备不同调制层厚度的AlTiN/CrN纳米多层涂层，研究其对涂层结构和性能影响。最后制备AlTiXN/AlTiN（X=Cr，Si）涂层，对比研究其结构、力学和耐磨性能及其涂层刀具的高速铣削钛合金（Ti6Al4V）的性能。本工作取得的主要研究成果如下：1）不同频率下AlTiN涂层均具有单相面心立方

5、结构和相近的化学组成。然而，脉冲靶材电流的频率会显著影响涂层的力学性能。随着频率的增加，涂层残余应力的提高导致了膜基结合力的下降。同时，残余应力的升高有利于涂层硬度和弹性模量的增加。此外，不同的频率下，AlTiN涂层表现出相近的摩擦和磨损性能。不同占空比下AlTiN涂层同样具有单相面心立方结构，并呈现出典型的柱状晶生长形貌。适当的增加占空比可提高AlTiN涂层的结合力以及硬度和弹性模量。另外，室温摩擦实验表明：占空比为50%时表现出最小的摩擦系数和磨损率，具有较为优异的耐磨性能。2）AlTiN/CrN纳米多层涂层中

6、AlTiN和CrN调制层的厚度分别随着AlTi靶和Cr靶电流的升高而增加。并且，不同AlTi/Cr靶电流下AlTiN/CrN多层涂层均为外延生长，具有单相面心立方结构。提高Cr靶电流时，AlTiN/CrN多层涂层的结合力增加，表面粗糙度增加，而硬度有所下降；提高AlTi靶电流时，AlTiN/CrN多层涂层的硬度提高。AlTiN/CrN多层涂层具有比AlTiN单层涂层更好的耐磨性I广东工业大学硕士学位论文能。随着Cr靶电流的增加，涂层的摩擦系数略有下降，而AlTi靶电流的增加一定程度上提高了涂层的摩擦系数。AlTiN

7、/CrN多层涂层具有比AlTiN单层涂层更优异的抗氧化性。并且，Cr靶材电流的提高，多层涂层的抗氧化性略有提升；而AlTi靶材电流对多层涂层化学成分的影响较小，故抗氧化性无明显差异。3）Si和Cr的加入均能提高AlTiN涂层的硬度，其中AlTiSiN/AlTiN涂层的硬度最高，为32.74±1.21GPa。在600℃摩擦磨损试验中三种涂层的摩擦系数相差较小，但AlTiN涂层的磨损率较高为3.95×10-5mm3/N·m。AlTiN涂层磨损方式主要表现为磨粒磨损和氧化磨损，AlTiCrN/AlTiN、AlTiSiN/

8、AlTiN涂层磨损方式主要表现为粘着磨损和氧化磨损。涂层刀具铣削钛合金(Ti6Al4V)铣削寿命依次为AlTiN