V(Al,Si)N纳米复合涂层的原子高温扩散调控及其高温摩擦学行为研究

The high-temperature lubricating effect of vanadium containing hard coatings is mainly based on the formation of vanadium oxides on surfaces. However, the rapid out-diffusion and oxidation of vanadium generally results in the complete failure of coating. Here, it is proposed that the out-diffusion and oxidation of vanadium could be controlled by forming the nanocomposite structure composed of nanograins dispersed in an amorphous matrix, in which the rapid diffusion channels of vanadium and oxygen atoms could be reduced drastically. These V(Al,Si)N nanocomposite coatings will be prepared by co-doping aluminum and silicon in a controlled manner using magnetron sputterings. Through the microstructural examination and the anti-oxdiation study, the effects of nanocoposite microstructure and aluminum content on the diffusion of vanumium and oxygen atoms could be revealed. Systematic tribological tests and post examination of worn tracks are planed to perform to clarify the high-temperature self-lubrication behaviour and the failure mechanism for the coatings. Based on these results, the anti-friction performance and wear resistance will further be discussed in terms of the synergy between the self-lubrication and the nanostructure. It is expected that this project could be valuable for the designing of tool coatings used in the drying cutting of aerometal.

V基氮化物涂层的高温自润滑效应主要源于涂层表面氧化形成的氧化物润滑相。然而，V原子在高温状态下的快速外扩散和氧化会导致涂层失效，不能同时满足自润滑和高抗磨的使用性能要求。本项目提出：拟通过原位形成非晶包裹纳米晶两相复合结构，减少V、O原子的高扩散率通道，实现对润滑元素高温外扩散和氧化的调控。采用磁控溅射技术，通过Al、Si元素共掺杂制备V(Al,Si)N纳米复合涂层；借助微结构表征和抗氧化性研究，探寻两相复合微结构、抗氧化元素Al含量对V、O原子高温扩散的调控规律；结合高温摩擦磨损试验和磨损微区分析，揭示涂层高温自润滑机理及失效机制，并进一步阐明高温自润滑效应和纳米复合结构在高温润滑抗磨中的协同作用,获得兼备高温自润滑性和高抗磨的涂层。研究结果可为航空合金高速干切削刀具涂层的开发与应用提供理论依据和实验基础。

PVD硬质涂层的开发和应用被视为一次划时代的技术突破，能够大幅度提高工件的使役寿命，产生巨大的经济和社会效益。本项目以本征润滑性较好的VN为主体成分，通过Si、Al共掺杂形成非晶包裹纳米晶的纳米复合结构，获得润滑耐磨的效果。本项目以磁控溅射V(Al,Si)N涂层为研究对象，开展了以下三方面的研究工作。(1) 研究了成分含量、生长条件对微结构、机械性能、变形行为的影响规律，获得了纳米复合涂层的可控制备。Si掺杂具有细晶作用，在一定成分比例时(5.5 at.% Si)会形成纳米厚度非晶SiNx相包裹晶粒的纳米复合结构。Al含量在0.47≤x≤0.56范围内，涂层致密，主要呈立方相，硬度均在30GPa以上。当涂层具有致密微柱状晶结构和强柱状晶界，可实现超硬和增韧的一体化。(2) 通过高温退火和高温水蒸气等实验，研究了涂层成分、结构、机械性能的演变过程，获得了原子的高温扩散规律。V-Al-Si-N四元体系表现出时效硬化效应，主要源于SiNx在晶界偏析形成密实的柱状晶结构和晶内调幅分解形成富c-VN相区c-AlN相区。Si掺杂提高涂层的硬化温度，而高Al含量则使hcp-AlN相易析出，降低了涂层的热稳定性。在高温氧化环境中，Al原子优先向涂层表层扩散，形成AlOx组隔层，抑制O原子向涂层内部扩散，提高涂层抗氧化性。(3) 通过摩擦磨损试验和微区表征分析，研究了涂层在不同工况下的摩擦磨损行为，获得了提高涂层减摩抗磨的关键因素。低Si含量涂层具有明显的减摩耐磨效应，使涂层保持层层剥离的磨损方式，磨损率在10-17 m3/N m量级；高Si含量涂层则易发生断裂磨损而快速失效。500 °C以上显示出V氧化物润滑作用，但氧化失效为主要机制。以上研究结果为高性能PVD硬质涂层的开发提供参考数据和技术支持。