Ti-Al-Zr-N涂层的原子尺度模拟及其热稳定性和时效硬化效应

热稳定性和高温抗氧化性能是刀具涂层材料两个重要性能指标。目前常用的刀具Ti-Al-N涂层已不能满足一些特殊场合的加工需求。在Ti-Al-N涂层中添加合金元素X（X=Zr、Si等）可改善涂层的热稳定性和高温抗氧化性能，是刀具涂层发展的重点。仅凭实验方法来探索Ti-Al-X-N四元体系的宽广成分范围以获得最优的材料性能不仅耗资巨大，而且效率低下。本项目将第一性原理计算引入到涂层设计，通过模拟预测Ti-Al-Zr-N四元涂层的晶体结构及力学性能，并在此指导下采用反应磁控溅射的方法制备Ti-Al-Zr-N涂层。阐明工艺参数对Ti-Al-Zr-N涂层的晶体结构、微观组织结构及力学性能的影响，并进一步考察涂层的热稳定性、时效硬化及高温抗氧化性能，从而获得热稳定性高于1100℃的Ti-Al-Zr-N涂层。本研究将为Ti-Al-X-N四元涂层的设计和制备提供一种通用的、简便可行的方法。

本项目将基于密度泛函理论的第一性原理计算引入到Ti-Al-Zr-N涂层体系设计，并以此为基础指导涂层制备。研究取得如下进展：. 1. 研究了不同Al含量的Ti1-xAlxN涂层的微结构和性能。Ti1-xAlxN涂层的晶体结构、力学性能、时效硬化效应及热性能与Al含量密切相关。在保持涂层立方结构（c）时（x<0.67），涂层的力学和抗氧化性能会随Al含量的上升而提高；继续增加Al含量会使涂层由立方向六方（w）转化而导致其性能降低。c-Ti1-xAlxN涂层的热分解过程需先经过调幅分解析出亚稳相的c-AlN相作为过渡，然后再向其稳定相w-AlN转化；调幅分解会伴随着时效硬化的出现。增加Ti1-xAlxN涂层中的Al含量会降低其热稳定性，使涂层的热分解温度向低温方向偏移。. 2. 获得了硬度高达~38GPa，热稳定温度高于1200oC的Ti-Al-Zr-N涂层。采用第一性原理计算设计Ti-Al-Zr-N涂层成分并预测其相关力学性能，以此为指导制备不同Zr含量的Ti-Al-Zr-N涂层。Zr掺杂提高了涂层的力学和热性能，其中5at.%Zr掺杂的Ti0.40Al0.55Zr0.05N涂层表现出最佳的性能。Zr元素的添加有效的改善了Ti-Al-N涂层的热稳定性，在降低其发生调幅分解析出c-AlN的起始温度的同时，提高了c-AlN向其稳定相w-AlN转化的温度；相应地拓宽了Ti-Al-N涂层的时效硬化区间，有利于其高温应用。. 3.本研究还探讨了Zr掺杂对Ti-Al-N涂层的抗氧化性能的影响，在700~800oC温度区间，由于Zr元素的率先氧化而降低其抗氧化性能；继续升高氧化温度，Zr掺杂抑制了Ti-Al-N涂层的氧化生成物亚稳相的锐钛矿（a）TiO2向稳定相的金红石（r）TiO2的转变，从而改善了其抗氧化性能。.在本项目的资助下，我们在国外核心期刊上发表研究论文13篇，其中SCI已检索10篇；国际和国内学术会议专题报告和墙报16人次，授权专利1项，毕业研究生1人。