【摘 要】
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随着加工制造业的快速发展,难加工材料日益增多,Ti N、Cr N等二元涂层已经无法满足现代工业化要求。近年来,Al Cr N、Al Ti N等涂层因具有较高的硬度、耐磨性和抗高温氧化性能,引起人们的广泛关注。Al Cr N涂层在高温条件下能够形成致密的Cr2O3和Al2O3混合氧化膜,有效阻止O向涂层内部扩散,降低氧化速率,增强涂层的抗高温氧化性能。但过高的Al含量会使涂层在高温下发生Cr N→C
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随着加工制造业的快速发展,难加工材料日益增多,Ti N、Cr N等二元涂层已经无法满足现代工业化要求。近年来,Al Cr N、Al Ti N等涂层因具有较高的硬度、耐磨性和抗高温氧化性能,引起人们的广泛关注。Al Cr N涂层在高温条件下能够形成致密的Cr2O3和Al2O3混合氧化膜,有效阻止O向涂层内部扩散,降低氧化速率,增强涂层的抗高温氧化性能。但过高的Al含量会使涂层在高温下发生Cr N→Cr2N→Cr相转变,使涂层的红硬性下降。Ti Al N涂层具有高的硬度和耐磨性能,但在高温大气条件下,涂层中Ti元素容易发生氧化生成疏松多孔的Ti O2,抗氧化性较差。本文综合利用Al Cr N和Al Ti N涂层的优点,在不同沉积参数下制备了Al Cr N/Al Ti N纳米多层涂层,并对其各项性能进行研究,研究结果如下:通过改变沉积温度（300℃和400℃）制备了两种Al Cr N/Al Ti N纳米多层涂层,研究表明:两种涂层均由fcc-（Al,Ti,Cr）N相组成,沿（111）晶面择优生长。随着沉积温度升高,涂层表面大颗粒减小,沉积速率增加。当沉积温度为400℃时,涂层具有更高的硬度、弹性模量,更低的残余压应力、摩擦系数（0.586）和磨损率(9.59×10-7mm~3/（N·m）),表现出更好的耐磨性。经700℃保温1h后,两种涂层的硬度、结合力都有很大提升。针对H13模具钢切削,两种Al Cr N/Al Ti N纳米多层涂层铣刀均可以大幅度延长刀具的切削寿命。通过改变偏压制备了四种Al Cr N/Al Ti N纳米多层涂层,涂层主要相结构均为fcc-（Al,Cr,Ti）N相,沿（111）晶面择优生长。采用TEM观察偏压为-150V时制备的Al Cr N/Al Ti N纳米多层涂层的高分辨图,发现涂层由Al Cr N和Al Ti N交替循环生长,其调制周期为2.66nm。随着偏压增加,沉积速率先增大后减小,表面粗糙度逐渐降低。当偏压为-180V时,硬度和弹性模量达到最大值,分别为33.01GPa和597.63GPa。偏压为-150V时涂层的磨损率最低为1.391×10-7mm~3/（N·m）,表现出最佳的抗摩擦磨损性能。通过改变N2/Ar比制备了三种Al Cr N/Al Ti N纳米多层涂层,涂层相结构均为fcc-（Al,Ti,Cr）N相。随着N2/Ar的增大,涂层的硬度和弹性模量呈先上升后下降的趋势。当N2/Ar比为4/1时,涂层的硬度（H）和弹性模量（E*）分别获得最大值36.77GPa和668.92GPa,同时具有最大的H/E*（0.055）、H~3/E*~2（0.111）、We（65.28%）值;以及最低的磨损率5×10-8mm~3/（N·m）,表现出最好的抗摩擦磨损性能。对比研究了Al Cr N、Al Ti N单层涂层和Al Cr N/Al Ti N纳米多层涂层的组织结构和性能。结果显示:三种涂层均由固溶相组成,沿（111）晶面择优生长。Al Cr N/Al Ti N纳米多层涂层的硬度、弹性模量、H~3/E*~2值均高于Al Cr N和Al Ti N单层涂层,同时具有最低的摩擦系数（0.286）和磨损率(5.04×10-7mm~3/（N·m）),表现出最优的抗摩擦磨损性能。在800℃～1000℃高温退火后,Al Cr N/Al Ti N纳米多层涂层依然具有最高的硬度。
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