论文部分内容阅读
硬质涂层材料被广泛应用在刀具与模具表面，以期提高使役性能以及服役寿命。由于具有优异的硬度、耐磨性和抗氧化性，TiAlN成为其中一种最常用的硬质涂层材料。工业上大多采用电弧离子镀技术制备TiAlN涂层。但是，在制备过程中从电弧离子镀阴极弧源产生的大颗粒往往影响涂层的表面质量，从而影响其使用性能。磁过滤电弧离子镀技术可以很好地解决这个问题，通过去除夹杂在等离子体中的大颗粒和中性原子，可以制备出表面粗糙度低且显微组织结构更为致密的涂层材料。磁过滤电弧离子镀技术显著提升了等离子体的离化率，与基体偏压共同作用，使得室温沉积具有高熔点的涂层成为可能。低温沉积涂层已经成为一种发展趋势，其不仅节约能源，同时还可以提高工业生产效率。 本文采用磁过滤电弧离子镀技术在高速钢基体上沉积TiAlN涂层和TiAlN/Cu纳米复合涂层。同时，亦采用传统普通电弧离子镀制备了TiAlN涂层与之做性能对比。对涂层的化学成分、微观组织、形貌、结合强度、力学性能以及摩擦磨损性能进行表征分析。对涂层的化学成分、结构和性能之间的相互关系进行研究。此外，亦讨论了Cu作为杂质金属相存在于TiAlN/Cu纳米复合涂层中对其结构与性能产生的影响。 在纯N2工作气氛下，采用磁过滤电弧离子镀制备了TiAlN涂层，并研究N2压强和基体偏压对涂层的结构与性能影响。结果表明，随着N2压强增加，TiAlN涂层的硬度与弹性模量出现先增大后逐渐降低的趋势。其中最高结晶度的涂层具有最大的硬度与弹性模量值。随着基体偏压的增加，TiAlN涂层的择优取向由(200)取向转变为(111)取向，并且硬度与弹性模量呈缓慢降低趋势。所有纯N2气氛下制备的TiAlN涂层均表现出较高的结合强度以及相对较低的摩擦系数。当N2工作气体中掺入0.15Pa Ar时，TiAlN涂层的结构变化趋势放缓，并且在Ar离子对涂层表面的不断轰击作用下，涂层的硬度、结合强度以及耐磨性都有了不同程度的提高。其最高硬度达34 GPa，最低摩擦系数为0.15，最低磨损率为8.8×10-7 mm3/(N·m)。与之相比，由传统普通电弧离子镀制备的TiAlN涂层其最低磨损率比前者高一个数量级。 采用磁过滤电弧离子镀沉积了Cu含量范围在0.4-1.4 at.％的TiAlN/Cu纳米复合涂层，通过改变镶嵌在TiAl合金靶材表面直径为2 mm的铜棒数量来达到控制涂层中Cu含量的目的。实验结果表明，TiAlN/Cu的结构和性能不仅取决于涂层中的Cu含量，同时还取决于涂层的沉积条件。Cu的添加显著降低了涂层的晶粒尺寸并减弱了涂层织构现象。不含Cu的TiAlN涂层具有强(111)择优取向并呈现典型的柱状晶结构，而Cu含量为1.4 at.％的TiAlN/Cu涂层则呈现细小的等轴晶结构。随着TiAlN/Cu涂层结构的转变，涂层的硬度略有降低。