TiAlN/MoN超硬自润滑镀层的制备与高温摩擦学行为研究

The fast development of high speed and dry cutting makes a new request on self-lubricating properties of coatings applied for cutting tools. Moreover, this request could be fulfilled by reducing the friction coefficient of hard nitride coatings. In this project, serious self-lubricating TiAlN/MoN nano-multilayer coatings will be deposited by four-target magnetron sputtering, which would combine the high hardness, excellent thermal properties of TiAlN coatings with the excellent self-lubricating properties of MoN coatings. The influence of modulation period and modulation ratio on the high temperature mechanical properties and high temperature tribological properties will be investigated. The mechanism that how the formation and morphological character of self-lubricating oxide influence the tribological behavior will and the formation mechanism of wear debris or tribo film composed by these self-lubricating oxides will be clarified. The relationship between modulation structure and self-lubricating properties will be revealed by correlating the morphological character of self-lubricating oxides with the self-lubricating properties. Finally, the self-lubricating mechanism of multilayer coatings and wear mechanism will also be clarified. The results of this project would be helpful on the fabrication of high temperature self-lubricating coatings for cutting tools, and it would also provide theoretical and experimental data for the improvement of coating properties.

高速干切削技术的快速发展对刀具镀层的润滑性能提出了新的要求，而降低具有高硬度的氮化物镀层的摩擦系数无疑可以满足这一要求。本申请拟采用四靶磁控溅射技术，将具有高硬度和良好热性能的TiAlN镀层与工作过程中具有良好高温自润滑性并可显著降低镀层摩擦系数的MoN镀层复合，制备具有不同调制周期和调制比的TiAlN/MoN纳米多层自润滑镀层，系统研究所制备镀层调制周期和调制比对其高温力学性能与摩擦磨损行为的影响规律，分析镀层中润滑相氧化物的形成过程和存在状态及其对摩擦学行为影响的微观机理，澄清摩擦磨损过程中润滑相氧化物所构成的磨粒或润滑膜的形成机制，建立润滑相氧化物的形态特征与镀层自润滑性的联系，揭示TiAlN/MoN纳米多层镀层的周期结构同镀层自润滑性的关系，阐明镀层的自润滑机理和磨损机制，为高性能高温自润滑刀具镀层的研发和性能的改善提供实验支撑和理论依据。

本项目针对高速干切削技术快速发展对刀具涂层减磨润滑性的新要求以及Mo基金属氮化物涂层自润滑性主控因素尚不明的问题展开研究。系统深入地研究了N含量对MoNx涂层、调制结构及Al含量对TiAlN/MoN纳米多层膜的微观组织、强化机制、氧化行为和摩擦磨损机制影响的共性规律和个性特征，建立了涂层微观结构-力学性能-摩擦学行为之间的联系，明确了涂层高温氧化行为同摩擦学行为之间的关联性，阐明了TiAlN/MoN纳米多层膜的宽温域摩擦磨损机制及其主控因素。研究结果表明：具有FCC结构的MoNx涂层的强化机制主要取决于电子密度、键长和价键结合强度所决定的本征硬化效应，TiAlN/MoN纳米多层膜呈现出的超硬性则决定于TiAlN层和MoN层弹性模量的差异所引起的映像力对层内位错运动的阻碍作用；具有FCC结构的MoNx涂层具有相对较低的摩擦系数，其摩擦学特性与MoNx涂层的H/E和H3/E*2正相关，TiAlN/MoN纳米多层膜的宽温域摩擦学行为则取决于多层膜的调制结构对摩擦磨损过程中润滑相MonO3n-1形成、尺度和分布特征的影响与由测试温度增加导致的磨粒磨损或氧化磨损行为的耦合作用，较低的调制比（即TiAlN层与MoN层厚度比）有助于提高TiAlN/MoN纳米多层膜的宽温域摩擦学性能。同时，TiAlN/MoN纳米多层膜由Al含量增加所引起地抗氧化性的改善有利于摩擦氧化过程润滑相MonO3n-1而非MoO3的形成，导致更低摩擦系数和比磨损率。研究结果为应用于高速干切削技术硬质自润滑刀具涂层的结构设计与制备提供了实验参考和理论依据。