w18cr4v表面多弧离子镀tialn复合涂层的结构设计及摩擦磨损性能的研究

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1、中图分类号：TG456.9论文编号：102870618-SZ047学科分类号：085204硕士学位论文W18Cr4V表面多弧离子镀TiAlN复合涂层的结构设计及摩擦磨损性能的研究研究生姓名吴迪学科、专业材料工程研究方向等离子表面工程指导教师李淑琴副教授南京航空航天大学研究生院材料科学与技术学院二О一八年四月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMaterialsScienceandTechnologySt

2、ructureDesignandWearPropertiesofTiAlNCompositeCoatingonW18Cr4VbyMultiArcIonPlatingAThesisinMaterialEngineeringByDiWuAdvisedbyAssociateProf.ShuqinLiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringApril,2018承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是

3、本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：1摘要W18Cr4V具有高硬度、高耐磨性、良好的红硬性和弹塑性，是工业上最常用到的高速钢之一，常作为刀具钢和冷作模具钢应用在

4、工业领域。刀具钢在切削加工其他材料时，与切削材料间的相互作用会导致高速钢升温、软化、磨损。为进一步提高高速钢的使用寿命，本课题采用多弧离子镀技术在W18Cr4V表面沉积TiAlN复合涂层，并进一步探索改性层的摩擦学性能。虽然TiAlN涂层本身使用性能优良，但由于与W18Cr4V基体结合力较低，很难直接应用于工业生产当中。本课题通过采用ABAQUS有限元模拟软件以计算Y向正应力及剪切应力的方式先计算出TiAlN复合涂层的最佳总厚度为1~4μm，再对四种TiAlN涂层结构设计方案的应力分布情况进行分析对比，算得

5、基体/Ti/(TiAl/TiAlN)方案和基体/Ti/(TiAl/TiAlN)2方案的内应力最小。本课题还对TiAlN涂层的各项工艺参数进行了初步的探索，所得最佳工艺参数为：阴极弧流Ti-60A/Al-80A，N2分压0.5Pa，负偏压/占空比150V/80%，镀膜温度350~400℃，沉积时间90min。最佳工艺参数下的TiAlN涂层约厚2.2μm，粗糙度0.102，显微硬度HV0.11181.2，纳米硬度34.5GPa，主要由TiAlN相组成并伴有少量TiN和AlN相，致密均匀无缺陷存在。除工艺探索外，

6、本课题还对四种涂层结构设计方案进行了经划痕实验和热震实验验证，在最佳工艺参数下基体/Ti/(TiAl/TiAlN)方案的结合力为31N，基体/Ti/(TiAl/TiAlN)方案为33N；经截面SEM观察可得基体/Ti/(TiAl/TiAlN)方案的厚度约为2.8μm，基体/Ti/(TiAl/TiAlN)2方案约为2.1μm。本课题通过摩擦磨损实验验证了四种涂层结构设计方案的摩擦学性能。结果显示基体/Ti/(TiAl/TiAlN)2方案的耐磨性最好，在不同载荷和对磨副滑速下其摩擦系数均保持在0.2左右，波动较

7、小且磨损失重最小，由磨痕SEM图分析可知磨痕主要以涂层表面的划痕为主，涂层无剥落现象。关键词：W18Cr4V,TiAlN,多弧离子镀,膜基结合力,摩擦磨损i南京航空航天大学硕士学位论文ABSTRACTW18Cr4Vhashighhardness,goodwearresistanceandplastic,isoneofthemostcommonlyusedhighspeedsteelastherawmaterialoftoolanddiesteel.Inthecuttingprocess,theinterac

8、tionwiththeworkpiecewouldproducehightemperature,whichcausethesofteningandwearofthehighspeedsteel.Toprolongservicelifeofthehighspeedsteel,aTiAlNcompositecoatingisdepositedbymulti-arcionplatingonthesurfaceofit,