AlCrN涂层的Nb、V合金化对其微观结构与性能的影响

作     者：邹亮 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁铁锤;李瑞迪

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：AlCrN涂层 合金化 微观结构 力学性能 摩擦学性能 高温氧化 

摘      要：在经济及环保双重制约的大背景下,硬质合金刀具涂层正朝着高性能、多类型和绿色环保等方向发展。因此,兼具耐受更高氧化温度和自润滑特性的AlCrN涂层材料成了研究者们关注的焦点。本文基于多元合金化的思路,以AlCrN涂层为研究对象,采用Nb合金化以提高涂层的抗高温氧化性能;采用V合金化以改善涂层的摩擦磨损性能;采用Nb和V共合金化使涂层兼具单独添加Nb/V时的益处。通过以上研究,希望剖析Nb、V元素对涂层微观结构与性能的影响,制备具有高抗氧化性的自润滑硬质涂层。主要研究成果如下:(1)研究了不同含量Nb合金化AlCrN涂层的微观结构与性能。由于Nb对晶粒的细化作用,涂层断口呈明显的细晶结构,含Nb涂层晶粒内部存在较多晶格缺陷。Nb含量为9 at.%时,涂层与基体结合力最强,且硬度(36.1GPa)和弹性模量(384.4GPa)最高。Nb的引入还有助于降低磨损率,AlCrNbN的磨损率最低,为1.94×10mm/(N·m)。Nb含量为5 at.%时,涂层耐氧化温度达1000℃。(2)研究了不同含量V合金化AlCrN涂层的微观结构与性能。相较于AlCrN涂层(H:27.2GPa;E:349.5GPa),添加V有助于提升涂层的硬度(35.3GPa)和杨氏模量(407.5Pa),但引入的V形成了软c-VN相。由于表面更加粗糙,含V涂层的摩擦系数略有升高,但磨损率有所降低,其中AlCrVN涂层的磨损率最低(2.71×10 mm·N·m),磨痕最为浅窄,表现出了最好的耐磨损性能。(3)研究了不同Nb/V比例共合金化AlCrN涂层的微观结构与性能。两种涂层主相均为c-AlCrN,涂层晶粒随V含量的降低逐渐粗化。结构的改变影响着性能,共合金化可以提升AlCrN涂层的抗开裂和抗塑性变形能力以及膜基结合力(79.5N)。室温下干式摩擦时,Nb和V的协同效应显著改善了涂层的摩擦学行为,当Nb/V=1:2时,涂层的平均摩擦系数最低,为0.392;当Nb/V=9:4时,涂层的磨损率最小,为1.42×10 mm/(N·m),远低于单合金化涂层,同时表现出优异的抗高温氧化性能,抗氧化温度高达1000℃。本研究共有图44幅,表15个,参考文献149篇