Cr-Al-N硬質(zhì)刀具涂層熱穩(wěn)定性及抗氧化性能的第一性原理研究.pdf

1、刀具涂層技術(shù)作為一種優(yōu)質(zhì)表面改性技術(shù)，對刀具性能的提升起到至關(guān)重要的作用。TiAlN涂層作為硬質(zhì)耐磨涂層之一，在切削刀具表面已得到廣泛應(yīng)用。然而，其熱穩(wěn)定性及抗氧化性能尚未能滿足現(xiàn)代高速、干式切削技術(shù)發(fā)展的需求。CrAlN涂層因具備更高硬度、高耐磨及高溫抗氧化性能等優(yōu)點，成為最具潛力替代TiAlN刀具涂層的材料之一，但其廣泛應(yīng)用仍受到以下問題所限制:1）隨著Al固溶度增大，CrAlN涂層將由面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱?hcp)結(jié)構(gòu)

2、，進而導(dǎo)致其力學(xué)性能下降;2）當(dāng)溫度高于900℃時，CrAlN涂層因熱穩(wěn)定性降低而產(chǎn)生熱分解，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降;3）CrAlN涂層的高溫抗氧化性能仍有提升的空間以滿足現(xiàn)代高速、干式切削溫度的需求?；诖?，本文以改善CrAlN刀具涂層的熱穩(wěn)定性及抗氧化性能為目的，采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法深入系統(tǒng)地研究了CrAlN涂層的相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、熱分解機制、抗氧化性能及其元素摻雜效應(yīng)。具體研究結(jié)論如下:
　　(1)對于CrAlN

3、涂層而言，隨著Al固溶濃度增大，fcc-Cr1-xAlxN晶胞逐漸收縮，其晶格畸變程度卻先增大后減小;當(dāng)Al濃度x為0.5～0.75時，fcc-Cr1-xAlxN晶格畸變較為嚴(yán)重，為析出密排六方(hcp)結(jié)構(gòu)的AlN化合物提供了源動力;隨著Al固溶濃度增大，fcc-Cr1-xAlxN相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸降低，且其極易按fcc-Cr1-xAlxN→fcc-CrN+hcp-AlN→hcp-Cr2N+N2+hcp-AlN→Cr+N2的路徑進行分解

4、;Al固溶致使fcc-Cr1-xAlxN相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低的內(nèi)在原因在于Al固溶使得fcc-Cr1-xAlxN的Cr-N間共價鍵作用減弱。
　　(2)在明確CrAlN涂層相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及熱分解機制基礎(chǔ)上，進一步研究了元素M(M=V、Ti、Nb、Ta、Mo、Zr、W)摻雜對其微觀結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其熱分解性能的影響及規(guī)律。結(jié)果表明，元素M均傾向于取代CrAlN中的Cr原子;元素摻雜后，所形成涂層均產(chǎn)生了不同程度的晶格膨脹;其中，V、N

5、b、Ta、Mo摻雜有利于提高涂層的相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而Zr、W則呈相反趨勢;基于摻雜涂層沿fcc-CrMAlN→fcc-CrMN+hcp-AlN路徑發(fā)生熱分解的反應(yīng)焓計算表明，V、Nb、Ta、Mo、W元素摻雜有助于提高涂層的熱穩(wěn)定性。
　　(3)為探索CrAlN涂層的高溫氧化機理，以改善其抗氧化性能，進一步系統(tǒng)研究了具有fcc結(jié)構(gòu)的CrN、CrAlN及CrMAlN涂層與O2的微觀反應(yīng)行為。結(jié)果表明，O2在CrN、CrAlN、CrMAl