纳米晶复合刀具涂层的制备、硬度增强效应及其量子理论研究

随着高速切削和干切削技术的发展，高硬度、高耐磨以及抗氧化纳米晶复合超硬刀具涂层材料的研究日益广泛。目前大量研究工作主要集中在涂层结构和性能表征，而对涂层硬度增强效应的理论研究工作相对较少，新型涂层材料设计工作缺乏理论指导。针对上述情况，本项目采用电弧中频磁控溅射技术在高速钢和硬质合金材料上沉积TiSiN纳米晶-非晶复合超硬涂层。系统研究涂层力学性能与微观结构之间的关系。根据实验结果，在密度泛函理论基础上，用合理的简化模型考虑纳米晶尺寸及其和非晶相的界面特征，计算TiSiN涂层的晶格常数和体弹模量。最后对纳米晶复合超硬涂层的增硬效应进行理论分析，建立涂层宏观力学性能和微观纳米结构之间的联系机制，为新型超硬刀具涂层材料的分子设计提供科学依据。

随着高速切削和干切削技术的发展，高硬度、高耐磨以及抗氧化纳米晶复合超硬刀具涂层材料的研究日益广泛。目前大量研究工作主要集中在涂层结构和性能表征，而对涂层硬度增强效应的理论研究工作相对较少，新型涂层材料设计工作缺乏理论指导。针对上述情况，本项目采用电弧放电技术在高速钢和硬质合金材料上沉积TiSiN纳米晶-非晶复合超硬涂层。系统研究涂层力学性能与微观结构之间的关系。实验结果表明纳米晶尺寸对涂层硬度具有明显影响，当TiN纳米晶晶粒直径在5-10nm时，涂层具有较高的硬度；TiSiN超硬涂层的结晶取向对涂层硬度也具有较大影响，当涂层以TiN（111）择优取向时，涂层具有较好的力学性能；硅含量对TiSiN涂层结构和力学性能影响极为显著，两种制备方法均表明当硅含量为6-7at.%时涂层具有接近40 GPa的硬度；在实验基础上推导出TiN纳米晶硬度增硬效应的理论公式，结果表明TiN纳米晶直径的变化引起的量子尺寸效应并不是TiSiN涂层增硬效应的主要原因，其增硬机理可能是TiN纳米晶和非晶Si3N4相的界面处能带结构异常变化以及晶界滑移联合作用所导致的结果。但对接近实际的三元TiSiN纳米晶复合材料硬度增强效应的理论模拟目前存在较大计算难度，需要进一步深入探索和优化。本项目的研究成果为新型超硬刀具涂层材料的分子设计提供了一定的科学依据。