多元氮化物涂层Ti（C，N）基金属陶瓷组织与性能的研究

论文摘要

本文以（Ti,W,Ta）C和Ti(C0.7N0.3)共同作为硬质相原料,采用粉末冶金工艺制备Ti（C,N）基金属陶瓷材料,并以制备出的性能最优的金属陶瓷为基体,采用多弧离子镀技术在其表面上沉积TiAlCrN和TiAlN涂层。采用X射线衍射仪（XRD）、金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）和抗弯强度测试仪、洛氏硬度计、显微硬度计等分析测试手段研究（Ti,W,Ta）C-Ti(C0.7N0.3)-Mo-Ni系金属陶瓷和涂层的显微组织及室温力学性能以及涂层的高温抗氧化性能。本文首先综述了涂层的发展概况,总结了涂层的制备技术以及成分对其组织和性能的影响;其次简单介绍了硬质涂层材料的最新研究结果,归纳了涂层的作用机理,并在此基础上提出了本文的研究目的和意义。研究了Mo含量对（Ti,W,Ta）C-Ni系金属陶瓷组织和性能的影响。随着Mo含量的增加,金属陶瓷由原来的暗芯-灰环结构逐渐转变为暗芯-白内环-灰外环结构,并且金属陶瓷显微组织逐渐细化。Mo对（Ti,W,Ta）C-Ni系金属陶瓷的致密化具有强烈的促进作用,它使得金属陶瓷的收缩率增加,孔隙减少。成分中添加Mo以后,金属陶瓷的断口形貌中沿晶断裂增加,穿晶断裂减少,金属陶瓷韧性提高。随着Mo含量的增加,（Ti,W,Ta）C-Mo-Ni系金属陶瓷的硬度提高,而抗弯强度先升高后降低。当Mo含量为15wt.%时,（Ti,W,Ta）C-Mo-Ni系金属陶瓷的力学性能最优,硬度和抗弯强度分别为HRA 90.2和1661MPa。在前面研究的最优Mo含量的成分体系基础上添加Ti(C0.7N0.3)固溶体引入N元素,研究了不同Ti(C0.7N0.3)添加量对（Ti,W,Ta）C-Mo-Ni系金属陶瓷组织与性能的影响。（Ti,W,Ta）C-Ti(C0.7N0.3)-Mo-Ni系金属陶瓷的显微组织由黑芯-灰环结构、白芯-灰环结构以及灰色的粘结相组成。黑芯相是烧结过程中未溶解的Ti(C0.7N0.3)固溶体颗粒,而白芯相为未溶解的（Ti,W,Ta）C固溶体颗粒。随着Ti(C0.7N0.3)含量增加,显微组织中的黑芯相也随之增加,环形相有变薄的趋势。Ti(C0.7N0.3)固溶体的加入,对（Ti,W,Ta）C-Mo-Ni系金属陶瓷的硬度影响很小,而抗弯强度随着Ti(C0.7N0.3)的增加出现先升高后降低的趋势。当Ti(C0.7N0.3)添加量为40wt.%时,（Ti,W,Ta）C-Ti(C0.7N0.3)-Mo-Ni系金属陶瓷的力学性能最优,硬度和抗弯强度分别为HRA 90.3,抗弯强度为1748MPa。采用多弧离子镀工艺制备的TiAlCrN和TiAlN涂层的厚度分别3μm和2.5μm,涂层厚度均匀、平整,组织致密,并无明显柱状晶结构,与基体结合紧密,无气孔等缺陷存在。涂层表面的岛状颗粒为制备过程中形成的液滴。TiAlCrN和TiAlN涂层的显微硬度分别为31.9GPa和23.2GPa,涂层与基体的临界结合强度分别为67N和55N。涂层均为B1型的面心立方结构,并且都具有（111）晶面的择优取向。TiAlN涂层在高温下（8001000℃）的氧化产物主要为TiO2、NiTiO3、NiAl2O4,TiAlCrN涂层在高温下的氧化产物主要为TiO2、Al2O3和Cr2O2.4。涂层表面出现的一些大的团簇状氧化物为涂层表面液滴的氧化产物,并且随着氧化过程加剧,它们以柱状晶形式向周围快速生长。TiAlCrN涂层在1000℃氧化后的氧化层内部有一层富含Al2O3和Cr氧化物的氧化层,它能够降低氧离子向涂层内部扩散速率。在金属陶瓷基体、TiAlN涂层和TiAlCrN涂层三类试样中,TiAlCrN涂层的抗氧化性能最优异。在TiAlN涂层中加入Cr元素后,涂层的高温抗氧化能力得到了提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 涂层材料及研究现状
• 1.3 物理气相沉积技术
• 1.4 刀具磨损原因与耐磨涂层的作用机理
• 1.5 本文研究的背景和内容
• 2 试验材料的制备及检测方法
• 2.1 Ti（C,N）基金属陶瓷基体材料的成分设计与制备工艺
• 2.2 Ti（C,N）基金属陶瓷的性能检测方法和显微组织表征
• 2.3 TiAlCrN/TiAlN 涂层的制备工艺
• 2.4 涂层性能的测试方法及显微组织表征
• 0.7N_0.3)-Mo-Ni 系金属陶瓷的显微组织与性能'>3 （Ti,W,Ta）C-Ti(C_0.7N_0.3)-Mo-Ni 系金属陶瓷的显微组织与性能
• 3.1 引言
• 3.2 Mo 含量对（Ti,W,Ta）C-Ni 系金属陶瓷组织与性能的影响
• 0.7N_0.3)添加量对（Ti,W,Ta）C-Mo-Ni 系金属陶瓷显微组织与性能的影响'>3.3 Ti(C_0.7N_0.3)添加量对（Ti,W,Ta）C-Mo-Ni 系金属陶瓷显微组织与性能的影响
• 3.4 本章小结
• 4 TiAlCrN/TiAlN 涂层的组织与性能
• 4.1 引言
• 4.2 TiAlCrN/TiAlN 涂层的显微组织及力学性能
• 4.3 TiAlCrN/TiAlN 涂层的高温抗氧化性能
• 4.4 本章小结
• 5 全文总结
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 本文的创新之处
• 致谢
• 参考文献