多元氮化物涂層Ti(C,N)基金屬陶瓷組織與性能的研究.pdf

1、本文以(Ti,W,Ta)C和Ti(C0.7N0.3)共同作為硬質(zhì)相原料，采用粉末冶金工藝制備Ti(C,N)基金屬陶瓷材料，并以制備出的性能最優(yōu)的金屬陶瓷為基體，采用多弧離子鍍技術(shù)在其表面上沉積TiAlCrN和TiAlN涂層。采用X射線衍射儀(XRD)、金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)和抗彎強度測試儀、洛氏硬度計、顯微硬度計等分析測試手段研究(Ti,W,Ta)C-Ti(C0.7N0.3)-Mo-Ni系金屬陶瓷和涂層

2、的顯微組織及室溫力學(xué)性能以及涂層的高溫抗氧化性能。
　　 本文首先綜述了涂層的發(fā)展概況，總結(jié)了涂層的制備技術(shù)以及成分對其組織和性能的影響；其次簡單介紹了硬質(zhì)涂層材料的最新研究結(jié)果，歸納了涂層的作用機理，并在此基礎(chǔ)上提出了本文的研究目的和意義。
　　 研究了Mo含量對(Ti,W,Ta)C-Ni系金屬陶瓷組織和性能的影響。隨著Mo含量的增加，金屬陶瓷由原來的暗芯-灰環(huán)結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘敌?白內(nèi)環(huán)-灰外環(huán)結(jié)構(gòu)，并且金屬陶瓷顯微組

3、織逐漸細(xì)化。Mo對(Ti,W,Ta)C-Ni系金屬陶瓷的致密化具有強烈的促進作用，它使得金屬陶瓷的收縮率增加，孔隙減少。成分中添加Mo以后，金屬陶瓷的斷口形貌中沿晶斷裂增加，穿晶斷裂減少，金屬陶瓷韌性提高。隨著Mo含量的增加，(Ti,W,Ta)C-Mo-Ni系金屬陶瓷的硬度提高，而抗彎強度先升高后降低。當(dāng)Mo含量為15wt.％時，(Ti,W,Ta)C-Mo-Ni系金屬陶瓷的力學(xué)性能最優(yōu)，硬度和抗彎強度分別為HRA 90.2和1661MP

4、a。
　　 在前面研究的最優(yōu)Mo含量的成分體系基礎(chǔ)上添加Ti(C0.7N0.3)固溶體引入N元素，研究了不同Ti(C0.7N0.3)添加量對(Ti,W,Ta)C-Mo-Ni系金屬陶瓷組織與性能的影響。(Ti,W,Ta)C-Ti(C0.7N0.3)-Mo-Ni系金屬陶瓷的顯微組織由黑芯-灰環(huán)結(jié)構(gòu)、白芯-灰環(huán)結(jié)構(gòu)以及灰色的粘結(jié)相組成。黑芯相是燒結(jié)過程中未溶解的Ti(C0.7N0.3)固溶體顆粒，而白芯相為未溶解的(Ti,W,Ta)C

5、固溶體顆粒。隨著Ti(C0.7N0.3)含量增加，顯微組織中的黑芯相也隨之增加，環(huán)形相有變薄的趨勢。Ti(C0.7N0.3)固溶體的加入，對(Ti,W,Ta)C-Mo-Ni系金屬陶瓷的硬度影響很小，而抗彎強度隨著Ti(C0.7N0.3)的增加出現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當(dāng)Ti(C0.7N0.3)添加量為40wt.％時，(Ti,W,Ta)C-Ti(C0.7N0.3)-Mo-Ni系金屬陶瓷的力學(xué)性能最優(yōu)，硬度和抗彎強度分別為HRA 90.3，抗

6、彎強度為1748MPa。
　　 采用多弧離子鍍工藝制備的TiAlCrN和TiAlN涂層的厚度分別3μm和2.5μm，涂層厚度均勻、平整，組織致密，并無明顯柱狀晶結(jié)構(gòu)，與基體結(jié)合緊密，無氣孔等缺陷存在。涂層表面的島狀顆粒為制備過程中形成的液滴。TiAlCrN和TiAlN涂層的顯微硬度分別為31.9GPa和23.2GPa，涂層與基體的臨界結(jié)合強度分別為67N和55N。涂層均為B1型的面心立方結(jié)構(gòu)，并且都具有(111)晶面的擇優(yōu)取向。

7、
　　 TiAlN涂層在高溫下（800～1000℃）的氧化產(chǎn)物主要為TiO2、NiTiO3、NiAl2O4，TiAlCrN涂層在高溫下的氧化產(chǎn)物主要為TiO2、Al2O3和Cr2O2.4。涂層表面出現(xiàn)的一些大的團簇狀氧化物為涂層表面液滴的氧化產(chǎn)物，并且隨著氧化過程加劇，它們以柱狀晶形式向周圍快速生長。TiAlCrN涂層在1000℃氧化后的氧化層內(nèi)部有一層富含Al2O3和Cr氧化物的氧化層，它能夠降低氧離子向涂層內(nèi)部擴散速率。在金