Ti-Al-N基纳米多层膜的高温相变及其机理研究

The development of modern cutting technology has put forward higher demand for the properties of the coatings represented by Ti-Al-N, especially for the thermal stability. The synthesis of Ti-Al-N based nanomultilayers can effectively improve the thermal stability and mechanical properties of Ti-Al-N. The interface stress is an important factor influencing the phase transformation of Ti-Al-N in nanomultilayers, however the exact effect mechanism of interface stress is still unknown now. In this project, some materials with different lattice constant will be selected to synthesize the nanomultilayers with Ti-Al-N. The different interface stress can be introduced into the Ti-Al-N layers in nanomultilayers when the coherent structures between Ti-Al-N and the other material are formed by the control of the microstructure. The aim of this project is to study the phase transformation behavior of Ti-Al-N based nanomultilayers at high temperatures, and to reveal the effect mechanism of interface stress on the phase transformation of nanoscale Ti-Al-N, and to explore the appropriate method to increase their thermal stability. Finally, the research results would enrich the experimental and theoretical content of nano materials,and provide theoretical guidance to obtain nitride hard films consisting of Al with high hardness and excellent thermal stability.

现代切削技术的发展对以Ti-Al-N为代表的刀具涂层材料的性能尤其是热稳定性提出了更苛刻的要求。制备Ti-Al-N基纳米多层膜是改善Ti-Al-N薄膜力学性能和热稳定性的重要途径，而界面应力是影响纳米多层膜中Ti-Al-N高温相变的重要因素，目前有关这类薄膜中界面应力对Ti-Al-N高温相变的影响机理尚不明确。本项目拟选择Ti-Al-N与不同晶格常数的材料组合设计制备成Ti-Al-N基纳米多层膜，通过控制多层膜中的Ti-Al-N与另一组成材料形成共格生长结构，引入不同的界面应力到纳米尺寸的Ti-Al-N中，借此研究具有不同界面应力状态的纳米多层膜的高温相变行为，揭示界面应力对纳米多层膜中Ti-Al-N高温相变的影响机理，探索控制Ti-Al-N高温相变进而提高薄膜高温性能的方法。项目研究结果将大大丰富纳米材料相变的实验和理论内容，并为制备具有高硬度和高热稳定性的含Al氮化物薄膜提供理论指导。

现代切削技术的发展不仅要求硬质薄膜具有优异的力学性能，还要具有高的热稳定性。Ti-Al-N 硬质薄膜是目前获得广泛应用的一类刀具涂层材料，其高温下的相变对这类薄膜的服役性能具有重要影响。制备Ti-Al-N 基纳米多层膜是改善Ti-Al-N 薄膜热稳定性和力学性能的重要技术途径。.基于以上背景，项目首先通过合理的微结构控制，成功获得了一类具有超硬效应的TiAlN/TiN纳米多层膜，最高硬度达50GPa；研究了这类多层膜的微结构变化对其硬度、摩擦磨损性能以及高温相变行为的影响。结果表明，纳米多层膜中TiN层和TiAlN层在一定条件下能够形成共格生长结构，通过引入界面共格应力到纳米尺寸的TiAlN中能够在一定程度上抑制TiAlN的高温相变，多层膜显示出相比于TiAlN单层膜更好的高温稳定性。纳米多层膜中界面应力引起的相变驱动能的变化是其中TiAlN高温相变不同于TiAlN单层膜的重要原因。.其次，项目设计制备了TiAlN/VN纳米多层膜，研究了这类纳米多层膜的微结构、力学性能和高温相变。研究发现，制备的TiAlN/VN纳米多层膜未能获得明显的超硬效应，但其摩擦系数低于TiAlN，磨道深度也大大低于对应TiAlN和VN单层膜，显示出优异的摩擦磨损性能。制备的TiAlN 4nm/VN 4nm纳米多层膜在高温退火处理后硬度基本维持不变，直至1100℃高温退火后硬度才开始下降，显示出这类多层膜体系具有优异的高温稳定性。.最后，基于项目研究中发现V基涂层相比于Ti基涂层具有更加优异的摩擦磨损性能，设计开发了VAlSiN涂层，研究了Si的添加对涂层微结构、硬度和和摩擦磨损性能的影响规律。结果表明，Si含量变化会引起VAlSiN 涂层的晶体结构发生明显变化。随着Si含量的增加，VAlSiN涂层晶粒尺寸减小，涂层致密度和硬度也得到显著增大。继续增加Si的含量，涂层的柱状生长结构被打断，硬度逐渐下降。VAlSiN 涂层的摩擦系数随着Si含量的增加先降低后升高。当Si含量为0.8at.%时涂层的磨损率最低。. 通过本项目的研究，成功获得了三类具有优异力学性能的硬质涂层，揭示了涂层微结构变化对其性能的影响规律以及纳米多层膜中TiAlN的高温相变机理，发现了一种同时改善TiAlN高温稳定性和力学性能的新型方法，对今后设计开发新型高性能硬质涂层具有重要指导意义。