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TiAlN具有高硬度、优异的抗高温氧化性能和耐磨损性能,是目前广泛使用的刀具涂层之一。然而,TiAlN涂层摩擦系数高,发热量大,尤其在加工钛合金过程中升温快,容易加剧涂层和刀刃磨损。同时,TiAlN涂层的高摩擦易导致成型零件表面形成倒刺,极大限制了其在模具表面防护方面的应用。在TiAlN涂层中加入C可形成低摩擦系数的TiAlCN涂层,但该涂层的硬度也低。因此,本文尝试通过TiAlN高硬度、高氧化温度与具有良好减磨、润滑特性的TiAlCN涂层有机结合,在TiAlN涂层中掺入C元素制备TiAlCN涂层基础上,制备高性能的TiAl(C/N)多层复合涂层,为PVD硬质自润滑涂层的研究及工程化应用提供理论基础和技术指导。
论文首先以电弧离子镀TiAlN涂层技术为出发点,通过引入正交分析法缩小实验参数范围,重点研究了基体负偏压、N2流量和阴极电弧弧流等关键工艺参数对TiAlN涂层沉积速率、表面粗糙度的影响规律。其次,研究了N2气压、基体负偏压、沉积温度对涂层微观组织、力学性能和摩擦学性能的影响,分析了涂层微结构和晶体学结构与硬度的作用关系,讨论了涂层硬度的物理机制。最后,系统研究了TiAl(C/N)多层膜成分、结构与力学、摩擦学特性的关系。论文主要结论如下:
1、依据正交分析:影响TiAlN涂层沉积速率的工艺参数重要性次序为:基体负偏压＞N2流量＞弧流;影响涂层表面粗糙度的重要性则为:N2流量＞弧流＞基体负偏压。具体规律为:沉积速率随N2流量的升高而升高,表面粗糙度则随N2流量的升高逐渐减小;沉积速率随负偏压增加先增大后减小,表面粗糙度随偏压增加而增大;弧流对中毒状态阴极靶的靶材烧蚀和涂层沉积速率影响较小,表面粗糙度随弧流增加而增大,其中靶中毒时弧流对沉积速率的影响小于对表面粗糙度的影响。
2、N2降低沉积原子扩散导致晶粒细化;基体负偏压增大离子能量,导致涂层致密化并依次出现了(200)、(111)、(220)、(200)的晶体生长择优取向。决定TiAlN涂层硬度的主要因素有三:(1)Ti、Al、N原子间化学键能或Al置换Ti、N缺位等固溶强化效应;(2)涂层的晶体生长择优取向;(3)晶粒细化引起的Hall-Petch效应。其中,三者之中的最薄弱因素对涂层硬度影响最大。TTiAlN和GCr15轴承对偶球的摩擦学行为与两者硬度差异相关:摩擦过程中,高硬度TiAlN涂层导致磨屑易脱落,形成磨粒磨损,摩擦系数高;低硬度TiAlN涂层则导致磨屑易粘着,形成粘着磨损,摩擦系数低。
3、改变C2H2流量和沉积时间,采用阴极真空电弧实现了TiAl(C/N)涂层的可控制备,该涂层不是超晶格多层膜。TiAl(C/N)涂层的硬度(H)大于40 Gpa;弹性模量(E)大于400 Gpa。涂层沿晶断裂,与韧性对组织瘤状缺陷敏感有关。TiAl(C/N)与GCr15钢球摩擦时,摩擦过程分为微凸体磨粒磨损、粘着磨损和综合磨损三个阶段,摩擦系数依次增大,分别为＜0.3,0.3～0.5,0.5～0.6。稳定磨损阶段时,TiAl(C/N)涂层比TiAlN涂层的摩擦系数降低0.1。动态摩擦过程中,摩擦系数随涂层的H/E增大而升高,但磨损率随H/E增大呈非单调降低。