第十三届全国表面工程大会暨第十二届全国青年表面工程论坛

207 / 2020-09-20 21:29:06

B掺杂对TiAlN涂层力学性能，热稳定性和抗氧化性的影响

TiAlBN,第一性原理计算,力学性能,抗氧化性

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作为目前应用最广泛的切削刀具表面防护涂层之一，TiAlN涂层因具有较高的硬度、良好的热稳定性和抗氧化性受到了广泛的研究。现代加工制造业的高速发展，对切削刀具的要求越来越高，刀具刃口的温度可达1000℃，超过了TiAlN涂层的服役温度（约为800 °C）。为提升TiAlN涂层的综合性能，本工作通过引入第四组元B元素，来进一步优化TiAlN涂层的结构和性能。首先在第一性原理计算的指导下预测了B添加对TiAlN涂层结构及性能的影响。然后采用阴极弧蒸发方法制备不同B含量TiAlBN涂层，结合X射线衍射、纳米压痕、透射电镜对比研究了B掺杂对涂层结构和性能的影响。研究结果表明：B在TiAlBN涂层中以固溶形式存在。B添加使涂层晶粒细化，并促进了六方（w）AlN相的析出，使涂层由立方（c）Ti_0.44Al_0.56N转变为立方和六方两相结构的Ti_0.42Al_0.54B_0.04N和Ti_0.36Al_0.55B_0.09N。同时，涂层的硬度由30.1 ± 0.4 GPa分别变化为37.0 ± 0.7和23.0 ± 0.6 GPa。此外，添加B显著改善了TiAlN涂层的抗氧化性：在850 °C的空气中等温氧化10 h后，Ti_0.44Al_0.56N涂层已经完全氧化，而Ti_0.42Al_0.54B_0.04N和Ti_0.36Al_0.55B_0.09N涂层仅发生部分氧化，氧化层厚度分别为1.16 μm的0.51 μm。