【摘 要】
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Ti（C,N）基金属陶瓷材料因其具有优异的耐磨性、相对较低的摩擦系数和优异的化学稳定性,在机械加工行业和耐磨损零件等领域中已得到广泛的应用。但面对越来越严苛的应用工况（如高速干切或高温摩擦）时,传统Ni/Co粘结相的性能下降会限制其工业应用范围。高熵合金（HEA）所具有的高热稳定性、高硬度、高耐磨性等性能特征与金属陶瓷刀具切削工况相匹配,并被视为目前最有潜力的可替代粘结相。但大多数HEA粘结相对陶
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Ti（C,N）基金属陶瓷材料因其具有优异的耐磨性、相对较低的摩擦系数和优异的化学稳定性,在机械加工行业和耐磨损零件等领域中已得到广泛的应用。但面对越来越严苛的应用工况（如高速干切或高温摩擦）时,传统Ni/Co粘结相的性能下降会限制其工业应用范围。高熵合金（HEA）所具有的高热稳定性、高硬度、高耐磨性等性能特征与金属陶瓷刀具切削工况相匹配,并被视为目前最有潜力的可替代粘结相。但大多数HEA粘结相对陶瓷相的润湿性不足,造成Ti（C,N）-HEA金属陶瓷的常温综合力学性能相对较差,进而削弱Ti（C,N）-HEA金属陶瓷的干式切削及耐磨损性能。针对上述问题,本文采用Co Cr Fe Ni（HEA）为新型粘结相,并利用第二相碳化物对Ti（C,N）-HEA金属陶瓷进行改性,开展了NbC添加量对Ti（C,N）-Co Cr Fe Ni（HEA）金属陶瓷的微观组织、力学性能影响的研究。同时,为进一步提升Ti（C,N）-HEA金属陶瓷的耐磨损性能,利用PVD涂层技术在金属陶瓷表面沉积TiAlN涂层,并揭示了涂层Ti（C,N）-Co Cr Fe Ni（HEA）金属陶瓷的干式切削及高温磨损机理,为研制常温综合力学性能良好且高温性能优异的涂层Ti（C,N）-HEA金属陶瓷奠定前期的理论和应用基础。通过对NbC的含量进行优化,成功制备出Ti（C,N）-15%Co Cr Fe Ni（HEA）-18%WC-6%Mo2C-x%NbC金属陶瓷材料。不同NbC含量会改变Ti（C,N）-HEA金属陶瓷的“芯-环”微观结构,该变化主要归因于Co Cr Fe Ni HEA粘结相扩散缓慢的效果和添加NbC所造成的晶粒成核位置改变。添加3 wt.%NbC能够优化Ti（C,N）-HEA金属陶瓷的综合力学性能。当NbC的添加量为3 wt.%时,金属陶瓷的相对密度为98.13%,硬度为1853HV,强度为1544MPa,断裂韧性为9.93MPa·m1/2。为进一步提高金属陶瓷的耐磨损性能,利用PVD涂层技术在金属陶瓷表面制备光滑致密的柱状晶TiAlN涂层。涂层厚度为0.72～1.37μm,晶粒尺寸为17nm～27nm,涂层硬度为3800～4100HV0.02,涂层平均结合力为41N～79N。基体中NbC添加量对涂层的晶粒尺寸和内部应力状态具有一定影响,改变TiAlN涂层的硬度,进而影响涂层结合力。基体中NbC含量为9 wt.%时,涂层硬度最高为4062 HV0.02。4组涂层的的平均结合力分别为62.75N、78.5N、71.8N和41.5N。3 wt.%NbC的金属陶瓷的TiAlN涂层综合性能更加优异,涂层厚度约为1.37μm,晶粒尺寸约为17.49nm,其结合力为78.5N,硬度为3910HV0.2。干切削GCr15钢试验和高温摩擦磨损试验结果表明:添加3 wt%NbC的未涂层金属陶瓷的后刀面磨损值最低,在干切削GCr15轴承钢时表现出更好的耐磨性。添加NbC后,金属陶瓷的高温摩擦系数和磨损率显着降低,添加3 wt%NbC时获得的最小摩擦系数和最小磨损率分别为0.198、4.14×10-6mm~3/N·m。均匀的微观结构和优异的机械性能的基础上,由于存在稳定的摩擦润滑层,进一步改善了3 wt.%NbC的金属陶瓷的高温耐磨性。经涂层后,3 wt%NbC含量的涂层Ti（C,N）-HEA金属陶瓷的后刀面磨损值和磨损速率都明显小于3 wt%NbC含量的未涂层Ti（C,N）-HEA金属陶瓷和涂层Ti（C,N）-Ni金属陶瓷试样,基体效应和TiAlN涂层两者的协同作用赋予其优异的切削耐磨损性能。
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