TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层刀具干切削TC4钛合金切削性能

钛合金因其化学活性和切削高温引起刀具磨损严重。刀具表面施加涂层是有效地延长刀具服役时间的方法。借助PVD阴极电弧蒸发技术,使用TiAlSi靶和CrAlSi靶交替叠加制成TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层刀具,并使用这种刀具分别切削常规钛合金和3D打印钛合金。所制成的TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层表现了较高的硬度;切削钛合金时,刀具的磨损形式表现为涂层剥离,前刀面月牙洼,后刀面均匀磨损和刀尖崩刃。引起刀具磨损的主因是粘结,其次是高温氧化。三个切削用量中,切削速度对切削力和切削温度的影响要远大于切削深度和进给量对二者的影响。与常规TC4相比,3D打印TC4因伸长率和硬度下降,弹性模量提高促使切削温度和切削力均低于常规TC4,刀具寿命相应的延长。

TiAlSiN纳米复合涂层的研究进展

随着现代加工需求的不断提高,对刀具涂层的性能要求愈发苛刻。相较于CrN、TiN、TiAlN等传统硬质涂层,TiAlSiN纳米复合涂层凭借优异的硬度、耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性,成为了减少工件磨损、延长使用寿命的最佳候选材料,被广泛应用于汽车、航空航天、通用机械等刀具加工领域,引起了研究者的广泛关注。为此,本文综述了TiAlSiN纳米复合涂层在微观结构、力学性能和实际应用方面的研究进展;阐述了TiAlSiN纳米复合涂层元素组成、制备工艺对其微观结构的影响规律及作用机理;重点讨论了TiAlSiN纳米复合涂层力学性能(如硬度、韧性、结合力及耐磨性)的影响规律及作用机制,包括归纳了Hall-Petch效应、固溶强化、共格外延、模量差异、晶界复合在内的5种TiAlSiN纳米复合涂层的增硬机理,对比分析了不同涂层增韧的途径与机制,探讨了TiAlSiN纳米复合涂层结合力与摩擦学性能的影响因素;最后,介绍了TiAlSiN纳米复合涂层在刀具、模具等典型应用领域的发展现状,并对TiAlSiN纳米复合涂层未来的研究趋势和发展方向进行了展望,以期为发展高效、高性能、低成本的刀具硬质涂层提供参考。

TiAlSiN涂层力学性能改善措施的研究现状及进展

TiAlSiN涂层具有耐温性好、化学惰性高等优异性能,其作为防护层被广泛应用于摩擦零部件、机械加工工具上。但TiAlSiN涂层内应力过大导致的力学性能不足,限制了其在严苛工况下的进一步应用。总结了目前改善TiAlSiN涂层力学性能的主要措施:涂层微观结构优化、膜层结构设计以及热处理工艺。对改善涂层力学性能所涉及的细晶强化、共格效应、固溶强化以及模量差理论等机理进行了全面的描述,并详细地对比分析了上述理论之间的内在联系与差异。系统地讨论了纳米多层和梯度复合膜层结构对涂层力学性能的影响规律,主要从调制结构以及成分调整2个角度对膜层结构变化进行了分析,有利于指导具有良好力学性能的膜层结构的设计。此外,分别阐述了退火温度、时间以及气氛环境对TiAlSiN涂层力学性能的影响规律,分析了退火条件对涂层微观结构的影响以及微观结构与力学性能之间的关系。在此基础上,提出了未来可以从基础理论和改善措施之间的协同作用角度,对TiAlSiN涂层力学性能的改善展开进一步研究。

偏压对HiPIMS制备TiAlSiN涂层结构与性能的影响

为了探究偏压对高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)制备TiAlSiN涂层的成分结构、力学性能与摩擦学性能的影响与机制,利用HiPIMS技术,通过调控基体偏压(0~-200 V)在YG8硬质合金与N型单晶(111)Si上沉积TiAlSiN涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子探针(EPMA)、X射线光电子能谱仪(XPS)、超景深显微镜、白光干涉仪、纳米压痕仪、划痕仪、往复式摩擦磨损试验机对TiAlSiN涂层进行微观结构、组成表征与性能测试。结果表明:HiPIMS放电行为方面,偏压的升高会使HiPIMS起辉电压提高,但对平台阶段放电电压与放电电流影响并不明显;在不同偏压条件下所制备的TiAlSiN涂层中元素组成相对含量变化较小;随着偏压的升高TiAlSiN涂层由hcp-(Ti,Al)N+fcc-(Ti,Al)N转变为fcc-(Ti,Al)N;随着偏压的升高会使涂层截面结构从疏松的柱状晶结构转变为无明显缺陷的致密堆积结构,表面结节状缺陷消失,且晶粒尺寸逐渐降低;力学性能方面,随着偏压的升高,TiAlSiN涂层的硬度与结合力均呈现上升趋势,涂层在-200 V时达到最佳性能,其中硬度达到最大的26.19 GPa,H/E^(*)达到最大的0.0995,结合力在达到最大的19.63 N时,涂层磨损率最小,为9×10^(-15)m^(3)/(N·m)。综上可知,利用HiPIMS技术,通过改变基体偏压能实现涂层微观结构与性能的调控,提高涂层韧性的同时,还能显著提升涂层的结合力与摩擦学性能。

靶磁场强度对电弧离子镀沉积TiAlSiN硬质涂层内应力的影响

用电弧离子镀制备的TiAlSiN硬质涂层,具有硬度高、致密性好、结合力优良的优点,在刀具工业中有广泛的应用市场。TiAlSiN硬质涂层的内应力不仅会影响涂层的硬度和结合力,也会影响刀具的切削寿命。研究了用电弧制备TiAlSiN涂层过程中,TiSi靶的磁场强度变化对涂层内应力的影响。结果表明,当TiSi靶的磁场从MAG3调为MAG6时,磁场强度减弱,靶材离化率降低,TiAlSiN涂层的内应力从−5.84 GPa降低到−3.16 GPa,而涂层的结合力和硬度几乎没有降低,切削寿命提高了30%。研究为提高TiAlSiN涂层的性能,进而提升刀具的使用寿命提供了有价值的试验数据。

多弧离子镀沉积TiAlSiN涂层微观结构及力学性能分析

为开发适用于切削316L不锈钢的刀具涂层,现采用多弧离子镀技术在硬质合金基体上沉积TiAlSiN纳米复合涂层的方法,此方法可为该涂层体系进行不锈钢加工的深入研究提供参考。

氮氩比对多弧离子镀TiAlSiN薄膜形貌和性能的影响

为了改善模具钢表面质量,采用多弧离子镀技术在H13模具钢表面沉积TiAlSiN薄膜,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等方法研究了不同氮氩比对薄膜表面形貌、硬度、结合力、耐腐蚀性能和抗氧化性的影响。结果表明:当氮氩比为8∶2时,薄膜表面颗粒堆积较少,光滑平整,致密性好,此时薄膜膜基结合力达到最大值20.4 N。随着氮氩比的升高,样品经过高温氧化后,增重百分比呈下降趋势,当氮氩比为8∶2时,增重百分比最低,具有最佳的高温抗氧化性能;并且此时薄膜的自腐蚀电流密度达到最小,为3.147×10^(-5)A/cm^(2),薄膜的耐腐蚀性能最优。

电弧离子镀TiAlN和TiAlSiN涂层的高温摩擦磨损行为

采用电弧离子镀技术在高速钢和单晶硅上沉积TiAlN和TiAlSiN涂层,利用高温摩擦磨损试验机考察两种涂层在常温、400℃和600℃下的摩擦磨损行为。通过光学轮廓仪观察涂层磨损后三维形貌和二维磨痕轮廓曲线,利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析磨痕、摩擦副的微观形貌以及元素分布,研究Si元素的加入对TiAlN涂层高温摩擦磨损性能的影响。结果表明:TiAlN、TiAlSiN涂层在600℃摩擦稳定后的摩擦因数最低,其次是在400℃,常温下的摩擦因数最高;TiAlN涂层在常温下摩擦完后已经磨穿失效,而TiAlSiN涂层在600℃摩擦完后才失效。粘着磨损和氧化磨损主要存在于TiAlN涂层摩擦过程中,TiAlSiN涂层常温下主要磨损形式为磨粒磨损、粘着磨损以及塑性变形导致的鱼鳞状裂纹,400℃下为粘着磨损和氧化磨损,600℃下为磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。

高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层结构调控与性能研究

采用高功率调制脉冲磁控溅射Al/（Al＋Ti）原子比（x）分别为0.25、0.5和0.67的TiAlSi合金靶,溅射功率1～4kW,氮气分压25%,工作气压0.3Pa,在Si（100）和AISI304奥氏体不锈钢基片上沉积了TiAlSiN纳米复合涂层。TiAlSiN涂层中氮含量保持在52.0at%～56.7at%之间,均形成了nc-TiAlN/a-Si3N4/AlN纳米晶/非晶复合结构。随着原子比x增加,非晶含量增加,涂层硬度先升高而后降低。当x=0.5时,硬度最高可达28.7GPa。溅射功率升高可提高溅射等离子体中金属离化程度,促进涂层调幅分解的进行,形成了界面清晰的非晶包裹纳米晶结构,且晶粒尺寸基本保持不变。当x=0.67时,溅射功率由1kW上升到4kW时,硬度由16.4GPa升至21.3GPa。不同靶材成分和溅射功率条件下沉积的TiAlSiN涂层的磨损率为（0.13～6.25）×10^-5mm^3/（N·m）,具有优良的耐磨性能。当x=0.67,溅射功率2kW时,nc-TiAlN/a-Si3N4纳米复合涂层具有最优的耐磨性能。

C掺杂方式对TiAlSiN膜层组织及性能的影响

采用电弧离子镀与磁控溅射联合沉积技术,以不同的C掺杂方式在高速钢基体表面制备了C/TiAlSiN多元复合硬质膜层,对膜层的成分、组织结构、显微硬度及摩擦磨损性能进行了表征,并与相同条件下制备的未掺杂TiAlSiN膜进行了对比。结果表明,不同的掺杂方式使得膜层的组织与性能不同,在TiAlSiN硬质膜层的制备过程中实施C掺杂,能够显著优化该膜层体系的组织结构及显微硬度,并大大改善其摩擦磨损性能。

阴极弧离子镀TiAlSiN涂层的微观组织与性能

采用阴极弧离子镀法在GH4169 Ni基合金表面制备TiAlSiN涂层,通过SEM,EDS,XRD和XPS等手段对TiAlSiN涂层表面界面形貌、能谱以及物相结合能谱进行测试分析,并对其结合界面化学元素进行线扫描分析,讨论涂层界面结合机理。研究结果表明:TiAlSiN涂层主要成分为Al,Ti,Si和N元素,化学元素分布均匀,表面没有产生富集现象;涂层具有较强的TiSix和SiNx择优取向化合物,为非晶结构;TiAlSiN涂层是由TiN,AlN和Si3N4等物相组成,Si元素以Si3N4非晶相形式包覆在(Al,Ti)N晶界,细化了涂层晶粒尺寸,其显微硬度达到3 200;涂层在结合界面发生一定的扩散,与基体形成化学结合方式,划痕法测得其结合强度为40.5 N。

真空热处理对多弧离子镀TiAlSiN涂层性能的影响

为提高TiAlSiN涂层的力学性能,研究了真空热处理对多弧离子镀TiAlSiN涂层微观组织和力学性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、自动划痕仪、纳米压痕仪、摩擦磨损测试仪等表征其表面形貌、物相组成和力学性能。结果表明:热处理引起了涂层的晶格畸变,降低了TiN固溶体相的平均晶格常数,导致其衍射峰向高角度偏移;热处理会粗化涂层表面,并导致TiAlSi中间过渡层界面消失。经过800℃热处理后,涂层的纳米硬度和结合力达到最大值,分别为35.01 GPa和54.45 N;涂层的平均摩擦因数最小,由热处理前的0.679降低至0.372,比热处理前下降了约45.2%。

Si含量对多元等离子体浸没离子注入与沉积技术制备TiAlSiN涂层微结构和机械性能的影响(英文)

采用多元等离子体浸没离子注入与沉积制备TiAlSiN纳米复合涂层,利用EDX,XRD,SEM,XPS,纳米探针和划痕试验对涂层成分组成、微结构和机械性能进行测试分析。XRD测试表明,TiAlSiN涂层具有较强的TiN(200)择优取向。XPS测试表明,TiAlSiN涂层中也含有AlN、Si3N4、Al2O3和Ti2O3。与制备的TiN涂层相比,当涂层中的Si含量为0.9%时,TiAlSiN涂层表现出较高的硬度,达32GPa,但涂层的断裂韧性和结合强度较低;当涂层中的Si含量增加至6.0%时,TiAlSiN涂层具有超高的硬度57GPa,并表现出较好的断裂韧性和结合强度。

Si含量对电弧沉积TiAlSiN薄膜性能的影响

利用等离子体辅助电弧沉积技术制备了不同成分的TiAlSiN多元薄膜,并研究了Si含量对薄膜组织结构、显微硬度和耐磨性的影响。XRD物相分析表明:薄膜主要由AlN和TiN组成。随着膜层中Si含量的增加,薄膜的结构由明显的柱状晶转变为致密的玻璃态结构,显微硬度逐渐提高,耐磨性能得到明显改善。

TiAlSiN纳米复合涂层的改性研究现状及发展

随着切削技术向高速、高效、高精、绿色、智能方向发展,切削加工对刀具及涂层性能提出了更高的要求,以TiAlSiN涂层为代表的四元硬质涂层发展迅速。综述了单层TiAlSiN纳米复合涂层的制备工艺、结构与性能特点,根据TiAlSiN单层涂层存在低韧性和低结合强度的问题,提出了对TiAlSiN涂层改性研究的必要性。综述了结构改性、成分改性以及二者相结合改性TiAlSiN涂层的制备工艺、结构与性能特点,指出了纳米多层结构的TiAlSiN涂层中存在的横向层间界面对原子的扩散具有良好的阻碍作用,涂层的抗氧化性由此被提高,涂层硬度等力学性能受多层结构的调制层成分、调制周期等因素影响而被提高或降低。介绍了C、Cu、Cr、V等合金化元素在TiAlSiN涂层中的作用效果,C元素在涂层中具有减摩作用,Cu元素的主要作用是增强涂层与基体的结合,Cu、Cr、V元素在涂层中均使涂层硬度不同程度降低,提出了最大限度发挥添加元素与层间界面结构的协同作用来获取最佳性能的纳米多层结构TiAlSiN基多元涂层是今后研究的重要方向之一。此外,还提出了通过基体前处理和涂层后处理增强TiAlSiN涂层韧性和层基结合强度的发展方向。

阴极电弧离子镀TiAlSiN涂层的高温抗氧化性能研究

采用阴极电弧离子镀工艺在硬质合金基体表面沉积TiAlSiN涂层,在箱式电阻炉内对涂层进行了高温抗氧化实验,分析了涂层高温氧化后的表面形貌、断口形貌以及组织成分,并将TiN、AlTiN涂层式样的氧化行为进行对比。结果表明:800℃时,TiN、AlTiN涂层均已受到不同程度的氧化破坏,TiN涂层已经失效,TiAlSiN涂层的断口组织均匀,连续性好。通过能谱分析,引入Si元素涂层表面氧化率低于TiN、AlTiN涂层,使得TiAlSiN涂层的抗氧化性能更好。同时,TiAlSiN涂层在1000℃开始发生氧化破坏,基体边缘受损。

磁控溅射TiAlSiN硬质膜及其高温抗氧化性能

目前,对TiAlSiN薄膜在800℃以上的抗高温氧化性研究较少。通过磁控溅射优化工艺在W18Cr4V高速钢基体上制备不同Si含量的TiAlSiN硬质薄膜,针对硬度最高的典型薄膜试样[Si含量为16.49%(原子分数)],分别在800℃和1 000℃下进行保温1 h的大气热处理。利用SEM、EDS、XRD和纳米压痕仪对薄膜的形貌、成分、相结构和硬度等进行表征。结果表明:随着Si含量从无到有并增加,薄膜硬度呈现上升-下降-上升-陡降-缓降的趋势,当Si含量为16.48%(原子分数)时,薄膜硬度达到最大值26.43 GPa,薄膜由(Ti,Al)N和Si_3N_4构成复合结构;经800℃大气热处理后薄膜表面生成大量的Al_2O_3,同未热处理试样相比,表面较为致密和平整;经1 000℃大气热处理后,膜层中的Ti、Al和Si元素外扩散形成TiO_2和Ti_2O_3等多种氧化产物,导致薄膜表面凹凸不平,甚至剥落,薄膜硬度和抗氧化效果明显下降。

锆合金表面TiAlN和TiAlSiN涂层微观形貌和性能的研究

对Zr-4合金表面分别进行多弧离子镀TiAlSiN涂层和TiAlN涂层。利用扫描电镜对涂层进行表面微观形貌观察;利用ImageJ对涂层大颗粒分布进行统计和分析;利用X射线衍射仪对涂层进行物相分析;利用自动划痕仪对涂层的力学性能进行检测;利用高温热处理炉对涂层试样进行800℃高温抗氧化实验。结果表明:TiAlSiN涂层表面的大颗粒数较TiAlN涂层的少。TiAlSiN涂层中除了与TiAlN涂层共同拥有的Ti_2N、Ti_3AlN物相外,还生成了AlN物相和非晶相Si_3N_4。由于Si元素的加入引起残余应力,TiAlSiN涂层的膜基结合力低于TiAlN涂层。TiAlSiN涂层试样的氧化增重远低于TiAlN涂层的氧化增重。

Effect of 10% Si addition on cathodic arc evaporated TiAlSiN coatings

The effect of 10% Si （mole fraction） addition on TiAlSiN coatings was studied. Ti0.5Al0.5N, Ti0.5Al0.4Si0.1N and Ti0.55Al0.35Si0.1N coatings were deposited on WC？Co substrates by cathodic arc evaporation. The microstructure and mechanical properties were characterized by X-ray diffraction （XRD）, X-ray photoelectron spectroscopy （XPS）, scanning electron microscopy （SEM）, nano-indentation measurement and scratch test. The mechanisms of how Si affects the properties and failure modes of TiAlSiN coatings were also discussed. The results show that the addition of 10% Si results in the formation of nc-（Ti,Al,Si）N/a-Si3N4 nano-composite structure. The hardness and toughness of TiAlSiN coatings increase, whereas the coating adhesion strength decreases. Compared with Ti0.55Al0.35Si0.1N coating, Ti0.5Al0.4Si0.1N coating has higher hardness but lower toughness. The dominant failure mode of TiAlN coating is wedging spallation due to low toughness and strong interfacial adhesion. The dominant failure mode of TiAlSiN coatings is buckling spallation due to improved toughness and weakened interfacial adhesion.

TiAlSiN涂层增韧技术及抗氧化性研究进展

TiAlSiN涂层具有较好的综合力学性能、抗氧化性和热稳定性能,不仅满足刀具、钻头等加工工具表面强化需要,还能应用于高温塑料模具表面强化、汽轮机叶片高温防护、高速微系统齿轮耐磨性提高等方面,被认为是最新一代的超硬涂层材料之一,具有良好的市场应用前景。综述了TiAlSiN涂层增韧技术、涂层氧化机理和抗氧化性的研究进展,分析了TiAlSiN涂层在增韧和抗氧化方面存在的问题,并提出了今后的研究方向。