114 / 2023-11-17 14:49:00

Ti1−x−y−zAlxTayBzN涂层的微结构、力学与热性能研究

TiAlTaBN涂层；多元掺杂；硬度；热稳定性；抗氧化性

TiAlN 涂层具有良好的力学和热性能，在目前的切削刀具领域取得了广泛的应用。为改善TiAlN涂层的性能，本工作采用阴极弧蒸发法制备了Ti<sub>1</sub><sub>−x−y−z</sub>Al<sub>x</sub>Ta<sub>y</sub>B<sub>z</sub>N(0.50≤x≤0.54)涂层，深入研究了不同含量的Ta、B掺杂对TiAlN涂层结构、力学性能、热性能和抗氧化性能的影响。结果表明：Ti<sub>0.35</sub>Al<sub>0.54</sub>Ta<sub>0.03</sub>B<sub>0.08</sub>N，Ti<sub>0.35</sub>Al<sub>0.54</sub>Ta<sub>0.05</sub>B<sub>0.06</sub>N和Ti<sub>0.34</sub>Al<sub>0.52</sub>Ta<sub>0.09</sub>B<sub>0.05</sub>N涂层为立方和六方的两相结构，其硬度分别为25.8 ± 0.9 GPa，26.6 ± 0.9 GPa和32.6 ± 0.7 GPa；而Ta含量更高的Ti<sub>0.33</sub>Al<sub>0.51</sub>Ta<sub>0.13</sub>B<sub>0.03</sub>N和Ti<sub>0.33</sub>Al<sub>0.50</sub>Ta<sub>0.15</sub>B<sub>0.02</sub>N涂层呈单相面心立方结构，硬度分别为38.0 ± 0.8 GPa和33.6 ± 1.0 GPa。五种涂层在退火过程中均呈现时效硬化效应，其中Ti<sub>0.33</sub>Al<sub>0.51</sub>Ta<sub>0.13</sub>B<sub>0.03</sub>N和Ti<sub>0.33</sub>Al<sub>0.50</sub>Ta<sub>0.15</sub>B<sub>0.02</sub>N涂层的热稳定性更为优异，在1000 °C退火后硬度达到最高值，分别为39.3 ± 0.9 GPa和36.7 ± 1.0 GPa。此外，Ti<sub>1</sub><sub>−x−y−z</sub>Al<sub>x</sub>Ta<sub>y</sub>B<sub>z</sub>N的抗氧化性能与涂层中的Ta含量密切相关，随Ta含量的增加而上升。在1000 °C 氧化10 h后，Ti<sub>0.35</sub>Al<sub>0.54</sub>Ta<sub>0.05</sub>B<sub>0.06</sub>N，Ti<sub>0.34</sub>Al<sub>0.52</sub>Ta<sub>0.09</sub>B<sub>0.05</sub>N，Ti<sub>0.33</sub>Al<sub>0.51</sub>Ta<sub>0.13</sub>B<sub>0.03</sub>N和Ti<sub>0.33</sub>Al<sub>0.50</sub>Ta<sub>0.15</sub>B<sub>0.02</sub>N氧化层厚度分别为~2.31，~1.44，~1.23和 ~1.08 μm，而Ta含量最低的Ti<sub>0.35</sub>Al<sub>0.54</sub>Ta<sub>0.03</sub>B<sub>0.08</sub>N涂层已经完全氧化。