论文部分内容阅读
面对高速干式切削加工对刀具涂层的严格要求,本文致力于优化提高AlCrN基硬质涂层的力学性能、抗氧化性能和耐磨损性能。首先,采用高功率脉冲磁控溅射技术（High Power Impulse Magnetron Sputtering,HIPIMS）制备AlCrN涂层,优化沉积参数。其次,在此基础上于AlCrN涂层中掺入多组元元素用以提高涂层的综合性能。以AlCrN为基础,同时加入O和Si元素,加入Si元素以形成纳米复合结构来增强涂层的力学性能和抗氧化性能;加入O元素以减小涂层的摩擦系数、增强耐磨性能并进一步的提高涂层的抗高温氧化性能,并研究了添加多组元元素对涂层结构和性能的影响。再次,以AlCrN涂层为基础,应用HIPIMS和电弧离子镀（Arc Ion Plating,AIP）复合沉积技术于涂层中同时加入Si和V元素,通过生成氧化润滑物进一步的降低涂层的摩擦系数,探索了添加V元素对涂层结构及性能的影响。最后,结合AlCrSiN优异的力学性能、良好的高温抗氧化性能、强耐磨性和VN的低摩擦系数,构建了AlCrSiN/VN纳米多层耐磨减摩涂层。本文所取得的主要结论如下:1)采用HIPIMS技术在Ar/N2气氛下制备AlCrN涂层,通过改变沉积偏压获得力学性能优异的涂层。随着基体偏压的升高,涂层表面的大颗粒数量和尺寸逐渐减小。涂层的硬度、弹性模量和膜基结合力随着偏压的上升先增加后减小,其中硬度在偏压为-150 V时达到最大值32.5±2.0 GPa,膜-基结合力在-100 V时达到最大40 N。2)在HIPIMS沉积AlCrN涂层的基础上,应用HIPIMS制备AlCrSiN和AlCrSiON涂层,并研究氧含量对涂层结构、力学性能和摩擦学性能的影响及作用机制。随着涂层中含O量的增加,涂层的硬度先升高后降低,在含O量为24.3at.%时有最大值20.1±3.0 GPa。AlCrSiON涂层的膜-基结合力随着氧含量的增加而增大,当氧含量为30.4 at.%时结合力达到最大值为90 N。高温摩擦磨损实验结果表明在室温-600℃下,当氧含量为30.4 at.%时,AlCrSiON涂层具有最优耐磨性能。3)在N2和Ar的混合气氛中应用HIPIMS的V靶和AIP的AlCrSi靶复合沉积AlCrSiVN涂层在硬质合金的基体上。随着V靶功率由0上升到2 kW,涂层中V元素的含量从0增加到7.5 at.%。当掺入V元素的含量从0增加至7.5 at.%,涂层的硬度从34.0±1.1 GPa下降到26.3±2.4 GPa。在室温-600℃下,含V量为7.5 at.%时的AlCrSiVN涂层相较其它涂层具有最优的耐磨损性能。在室温下,AlCrSiVN涂层的摩擦系数在0.68-0.73之间波动。在600℃下,随着涂层中V含量从0增加至7.5 at.%,涂层的摩擦系数从0.94减小至0.66。在高温环境下有V的AlCrSiVN涂层相较没有无V的AlCrSiN有着更低的平均摩擦系数,这是因为含V的涂层在高温情况下可以发生氧化并生成V2O5作为润滑剂来降低摩擦系数。4)耦合利用VN涂层的低摩擦系数特性以及AlCrSiN涂层高耐磨特性,运用HIPIMS和AIP技术复合沉积AlCrSiN/VN纳米多层涂层,通过改变HIPIMS的V靶功率（0-2.5 kW）来调整VN调制层的厚度。随着V靶功率的上升,涂层的膜-基结合力逐渐增加,涂层的硬度在V靶功率为2.0 kW时增大至最大值29.9±0.9 GPa。室温-700℃高温摩擦磨损实验结果表明,当V靶功率为2.0 kW时,涂层拥有最低的摩擦系数及最优的耐磨性能。