基于液相烧结过程的硬质合金表面Al2O3/TiC涂层一步制备机理研究

Due to high thermal stability, chemical stability, high hardness, oxidation resistance and diffusion wear resistance, Al2O3 has been widely used as coating materials of cemented carbide cutting tools for high speed machining. As for the preparation of Al2O3 coating by vapor deposition method and sol-gel method, the preparation processes of cemented carbide substrates and coatings are separated, and heating twice will do harm to the microstructure and properties of the substrate. Further more, the TiCxN1-x film and Al2O3 film are hard to be fabricated at one time. In the project, the cemented carbide green bodies are dip coated in Al2O3@TiO2 core-shell sols, the coated green bodies are directly sintered to achieve the Al2O3/TiC coated cemented carbide. The forming mechanism, phase evolution, and growth mechanism of Al2O3/TiC film are investigated, the sintering behavior of Al2O3/TiC film and substrate, interface diffusion and reaction are analyzed, the microstructure, properties and residual stress are characterized；the cutting performance and wear mechanism of Al2O3/TiC coating prepared by vapor deposition method and sol-gel method are compared with the film by one step method. The project expands the research field of Al2O3 coatings on cemented carbide, the research results can act as theoretical support for novel coating technology.

Al2O3具有高热稳定性、化学稳定性、高硬度、抗氧化与扩散磨损能力，被广泛用作高速切削领域中的硬质合金刀具涂层。采用气相沉积法和溶胶-凝胶法时，涂层制备与硬质合金基体制备是分步进行的，两次加热过程会对硬质合金基体的微观组织与性能产生不利影响，且TiCxN1-x预涂层与Al2O3涂层难以一步完成。本项目将硬质合金生坯在Al2O3@TiO2核/壳结构溶胶中浸渍涂层，然后直接进行液相烧结，实现硬质合金表面Al2O3/TiC涂层一步制备。项目探索涂层在出现WC-Co伪二元共晶液相的硬质合金基体表面的形成机制、相变过程和生长规律；分析涂层与基体的协同烧结行为、固/液界面元素扩散与反应机理；表征界面微观组织结构、物理力学性能和残余应力状态；并与气相沉积法和溶胶-凝胶法对比，研究Al2O3/TiC 涂层的切削行为和磨损机理。本项目拓展了硬质合金Al2O3 涂层的研究领域,为新型涂层技术研究提供理论支撑。

Al2O3具有高热稳定性、化学稳定性、高硬度、抗氧化与扩散磨损能力，被广泛用作高速切削领域中的硬质合金刀具涂层。采用气相沉积法和溶胶-凝胶法时，涂层制备与硬质合金基体制备是分步进行的，两次加热过程会对硬质合金基体的微观组织与性能产生不利影响，且TiCxN1-x预涂层与Al2O3涂层难以一步完成。本项目将硬质合金生坯在Al2O3/TiO2复合溶胶中浸渍涂层，然后直接进行液相烧结，实现硬质合金表面Al2O3/TiC涂层一步制备。项目研究了Al2O3/TiO2复合溶胶涂层的制备方法，液相烧结过程中Al2O3/TiC复合涂层的形成机制，并对其微观组织、物理力学性能及切削性能进行了表征。研究结果表明：1050℃下的高温处理使Al2O3/TiO2复合溶胶中Al2O3的晶化完成，出现金红石TiO2和α-Al2O3的两相结构。复合溶胶中的TiO2从锐钛矿向金红石转变的温度比纯TiO2的转变温度更低，这是由于Al3+比Ti4+的化合价低，取代Ti4+后为了保持晶体的电中性而会产生氧空位。界面高分辨相表明复合结构表层为TiO2内部为Al2O3，对应的晶面分别为（101）和（110）。在液相烧结过程中，TiO2的碳热还原反应导致了表面缺碳。因此，表面Co向内部扩散并导致表面Co富集层的消失。Al2O3/TiC复合涂层由两种晶粒组成，包括0.5μm的细小Al2O3/TiC复合颗粒和较大的WC颗粒。WC晶粒具有微台阶形貌，表明了WC的逐层生长机制。理想的二维生长是在一层生长结束后另一层开始生长；而对于三维生长，新的一层在底层生长未形成完整层时便开始生长。Ti元素的存在使元素扩散速率降低而减少了W和C原子的供给，因此在一层未完成生长时新核便已形成；因此，WC呈现出三维层状生长的模式。液相烧结制备的涂层的厚度约2微米，远小于CVD涂层厚度，但与常规PVD涂层相近。涂层的表面粗糙度劣于CVD或PVD涂层，因此涂层的硬度值分散性较大。本项目制备的基于液相烧结的涂层刀片的切削性能比不涂层时有所改善，但尚不如成熟的CVD涂层刀片。综上所述，本项目拓展了硬质合金Al2O3涂层的研究领域,为新型涂层技术研究提供理论支撑。