Si3N4、Cu双相晶界调制复合强韧化TiAlN涂层机理研究

晶界结构及其性能对于以Ti(Al)N为基础的硬质涂层的硬度和韧性具有非常显著的影响。本项目拟采用Ti60Al30Si10-xCux靶和磁控溅射技术，制备非晶Si3N4和Cu相在TiAlN晶界分布可连续调制的纳米复合涂层，以实现TiAlN涂层强韧化并研究其机理。通过高分辨透射电镜研究该涂层晶界调制结构与特征，结合纳米压痕实验，建立涂层构成、结构、硬度、韧性之间的关系；采用自制压头对涂层试样进行压缩试验，实现不同应变硬质涂层的截面透射电镜观察，研究晶界调制结构与晶界滑移的运动特点和规律、微裂纹产生及运动的特点和规律之间的关系，并建立涂层微观应变模型，从晶界滑移和微裂纹产生及运动的微观角度，结合高温热稳定和高温磨损研究，探索Si3N4和Cu双相晶界调制复合强韧化TiAlN硬质涂层的机理。该项目对于丰富和发展硬质涂层强韧化理论、推动高档数控机床和基础切削制造技术发展，具有重要意义。

本项目严格按照要求进行，主要的科研内容如下：. 1）Cu含量对涂层强韧化机理研究。固定涂层中Si含量为6.5-6.9at%，研究了Cu含量为0-7.32at%时对TiAlN/Si3N4-Cu纳米复合涂层的影响。晶粒尺寸随着Cu含量的增加先减小，后增大。TEM研究发现，当涂层中Cu含量为1.4%时，在TiAlN晶粒中，可固溶部分Cu和Si, 局部晶界上有非晶铜和非晶氮化硅存在。压痕测试结果表明Cu含量为2.01at%的TiAlN/Si3N4-Cu涂层，具有最好的抗裂纹扩展的能力；随着Cu含量的增加，Cu向外扩散，涂层抗氧化性能降低；涂层在室温以磨粒磨损和黏着磨损为主。高温磨损机理以粘着磨损和氧化磨损为主，Cu的加入能降低摩擦系数，增强高温耐磨性。.2）Cu含量对涂层强韧化机理研究。Cu含量在1.10-2.81at%时，涂层中Si含量（0-5.9at%）的影响。随着Si含量的增加，涂层的表面粗糙度变小，涂层更加致密，晶粒细化；Si含量 3.39 at.% 的TiAlN/Si3N4-Cu涂层的H3/E2比值最大，韧性最好，耐磨性最好；室温时磨损机理主要是粘着磨损，高温以粘着磨损和氧化磨损为主；更高的Si含量，使涂层与基体结合力下降，耐磨性下降。.3）偏压的影响。在0V至-80V范围内，施加负偏压-20 V时，沉积速率最快，薄膜的显微硬度和弹性模量均最大，分别达到19.6 GPa和256.2 GPa，膜基结合力和耐磨性能最好。继续增加负偏压，因使其内应力增大，耐磨性能下降。.4）沉积温度的影响。沉积温度从室温提高至250oC后，涂层表面缺陷减少，致密性增强，硬度和弹性模量增加，涂层在250oC具有最好的结合力和耐磨性能。.5)还研究了TiAlN/Cu,TiAlN/Si3N4-Ag 复合涂层的微观结构与力学和摩擦学性能，N2流量对TiAlN/Si3N4的微观结构和力学性能的影响等。.成果：目前发表文章6篇，4篇文章待发表，申报发明专利3项，授权1项。培养硕士研究生2人，1人已毕业，另一人2014年6月毕业。