以AlN(CrN/ZrN)为氮源形成梯度硬质合金基体提高PVD-TiAl(Cr/Zr)N涂层抗脆性破损失效的机理

Presently, there are brittle breakages such as tipping, fatigue cracking, disbonding, during interrupted machining for PVD-TiAl(Cr/Zr)N coated inserts when WC-TiC-Co is used as the substrate. In this application, the gradient layer with brittle cubic phase depleted and tough binder enriched is generated based on the element diffusion during sintering, increasing the fracture toughness and impact toughness so as to resist against fatigue crack propagation and impact during interrupted machining. Besides, Al(Cr/Zr) is contained in the gradient layer when AlN(CrN/ZrN) used as nitrogen source. The bonding of coatings and substrates is strengthened by Al(Cr/Zr) atom diffusion between the substrate and the coating. In this way, the brittle breakages of PVD-TiAl(Cr/Zr)N coating can be declined. The mechanism of brittle breakage resistance can be revealed by the investigations on the gradient-layer formation mechanism and controlling of the gradient layer thickness, the characterization of microstructure and mechanical properties of gradient cemented carbide, the analysis on the adhesion of TiAl(Cr/Zr)N coating to the gradient layer, and interrupted cutting behavior of the inserts. Based on the application, the theoretical mechanism on the brittle breakage of PVD-TiAl(Cr/Zr)N coated inserts can be obtained.

目前以WC-TiC-Co为基体的PVD-TiAl(Cr/Zr)N涂层刀具在断续切削时存在崩刃、疲劳裂纹、剥落等脆性破损问题。本申请从涂层基体角度出发，利用基体烧结制备过程中元素的迁移，在基体表面形成脱除脆性立方相、富韧性粘接相的梯度层，提高基体的断裂韧度和冲击韧性，抵抗疲劳裂纹扩展和在断续切削时受的冲击。并且，以AlN(CrN/ZrN)作为氮源，形成含Al(Cr/Zr)的梯度层，通过Al(Cr/Zr)原子在梯度层和涂层之间双向扩散混合，提高涂层和基体的结合强度。通过上述改变，减少PVD-TiAl(Cr/Zr)N涂层的脆性破损失效。本申请通过研究梯度形成机理及梯度层厚度控制；表征梯度合金微观组织及机械性能；分析TiAl(Cr/Zr)N涂层与梯度层膜-基结合及涂层刀具断续切削行为等揭示抗脆性破损机理。本申请为PVD-TiAl(Cr/Zr)N涂层刀具抗脆性破损失效提供理论支撑。

目前以YT类硬质合金(WC-(W,Ti)C-Co)为基体的PVD涂层刀具在断续切削加工存在脆性破损失效的问题，导致刀具切削寿命短，主要原因是作为涂层基体的硬质合金由于含脆性的(W,Ti)C立方相而导致基体强度不高造成的。本项目从硬质合金基体的角度出发，在基体硬质合金中引入氮源，烧结时，表层氮源分解致使表层N含量降低，利用Ti与N之间强烈的热力学耦合作用促使表层Ti向内部迁移，从而脱除表层的(W,Ti)C立方相，从而获得表层脱脆性立方相的高强度梯度硬质合金基体。本项目分别以AlN和ZrN为氮源制备了表层脱立方相梯度硬质合金。研究发现：当粘结剂Co和Ni存在或有碳源存在时，AlN或ZrN的分解温度显著降低，采用AlN或ZrN作为氮源制备表层脱立方相梯度硬质合金是可行的。通过控制AlN或ZrN含量可以改变脱立方相表层(CFL)的厚度。由于液相烧结过程中Ti扩散通量增加，CFL的厚度随AlN含量的增加而变厚，而由于Zr向内的扩散，CFL的厚度随ZrN含量的增加而变薄。由于CFL中脆性立方相的脱除和韧性的粘结相的富集，相比均质硬质合金，梯度硬质合金的横向断裂强度有明显的提升。在梯度硬质合金基体表面PVD-TiN涂层时，基体中Al元素或Zr元素扩散到TiN涂层，导致TiN晶格产生畸变，但是没有改变晶格结构，TiN涂层呈现柱状晶结构。梯度硬质合金基体能够提高PVD-TiN涂层表面压应力。涂层摩擦研究表明，以AlN为氮源的梯度硬质合金基体表面TiN涂层摩擦过程中，扩散到涂层的Al元素氧化形成Al2O3，起到了润滑减磨作用，降低了摩擦系数。涂层刀具断续切削研究表明，涂层刀具断续切削主要失效形式是崩刃，基体的韧性是刀具抗脆性破损的主要因素。相比均质硬质合金基体的涂层刀具，以梯度硬质合金作为基体的涂层刀具，由于高韧性的CFL能够吸收冲击能量、有效抑制裂纹扩展，涂层梯度硬质合金刀具具有明显的抗冲击破损优势，断续切削寿命明显提升。本项目的研究为PVD涂层刀具抗脆性破损失效提供理论支撑，对提升YT类硬质合金PVD涂层刀具切削寿命提供了新的思路和方法，给PVD涂层刀具断续切削加工应用提供了参考。