TiAlVN和CrAlVN涂层的成分设计及其热性能、自润滑和切削性能研究

The thermal properties of TiAlN and CrAlN coatings, which are widely applied in cutting tools, do not meet the demand of high speed machining. Therefore, the coatings with optimized thermal properties or low frictional coefficient in general are needed. Here, we will research the effect of V on the microstructure, mechanical and thermal propertis of TiAlN and CrAlN coatings Incorporation of V into TiAlN and CrAlN can decrease the machining temperature of coated tools by their self-lubrication, and also results in a possibility to improve their thermal stability. We predict the crystal structure and properties of TiAlVN and CrAlVN coatings using the first principles combined with molecular dynamics, which are then verified by experiments. A simple and general method for design and preparation of quarternary coatings will be obtained. Based on the above calculated compositions, the effect of technological parameters on microstructure and mechanical properties of TiAlVN and CrAlVN coatings are researched. Also the thermal stability of TiAlVN and CrAlVN coatings is investigated. Furthermore,the self-lubrication mechanism of V-containing coatings is revealed according to the oxidation resistance and frictional wear with elevated temperature. The coatings with high thermal stability and self-lubrication ability will be acquired. This research will provide guidance for the design, development and application of TiAlXN and CrAlVN quarternary coatings with excellent properties.

目前常用的TiAlN和CrAlN涂层已不能满足高速切削加工对其热性能的要求，因此，有必要开发具有更高热性能或低摩擦系数的涂层材料来改善刀具涂层的性能。基于此，本项目拟通过在TiAlN和CrAlN涂层中添加V元素改善其热稳定性，同时利用含V涂层在切削过程中的自润滑效应降低切削区域的温度，改善涂层刀具的切削性能。首先耦合第一性原理和分子动力学预测TiAlVN和CrAlVN的结构和性能，结合相关实验对其验证，并为四元涂层的成分设计提供一种简便通用的方法。然后以理论计算获得的成分为指导制备涂层，研究TiAlVN和CrAlVN涂层微结构和力学性能，探索最佳涂层制备工艺；结合高温摩擦磨损试验和抗氧化性能研究揭示含V涂层的自润滑机理；研究涂层的热稳定性，获得兼具自润滑效应和高热稳定性的涂层，并对其进行切削应用评价。本研究将为高性能TiAlXN和CrAlXN四元涂层的设计、开发与应用提供指导。

涂层刀具结合了表面涂层高耐磨性、高热性能和基体高韧性、高强度的优点，可大幅度改善刀具切削性能、提高机械加工效率，成为现代刀具的重要发展方向。目前切削刀具常用的TiAlN和CrAlN涂层已不能满足高速切削加工对其热性能的要求，因此，有必要开发具有更高热性能或低摩擦系数的涂层材料来改善刀具涂层的性能。基于此，本项目以TiAlN和CrAlN涂层为研究对象，首先通过多元合金化添加V元素获得具有高热稳定性和自润滑效应的TiAlVN和CrAlVN涂层；其次通过多层结构优化设计改善其性能。研究取得如下进展：.1. 采用第一性原理预测TiAlVN和CrAlVN体系的晶体结构，并结合关键实验设计涂层成分，为获得具有立方结构、高Al含量的TiAlXN和CrAlXN涂层的设计与制备提供一种通用、简便可行的方法；.2. 以上述理论计算为指导，制备了具有单相立方结构的Ti0.50Al0.44V0.06N、Ti0.40Al0.50V0.10N涂层；V的加入提高了TiAlN涂层的热稳定性，但使其抗氧化性能降低；结合TiAlVN涂层的高温抗氧化性和切削性能揭示其自润滑机理；TiAlVN涂层的自润滑效应与其V含量密切相关，Ti0.50Al0.44V0.06N涂层切削过程中无明显的自润滑效应，而Ti0.40Al0.50V0.10N涂层则由于其切削过程中自润滑相V2O5的形成而呈现自润滑效应；.3. V的加入提高了CrAlN涂层的硬度和热稳定性，但降低其抗氧化性能；Cr0.44Al0.50V0.06N涂层在切削过程中氧化形成自润滑相V2O5的生成而呈现自润滑效应；.4. 以TiAlN/TiN和TiAlN/ZrN纳米多层为研究对象，基于其形成能（表征界面结构的稳定性）和界面分离功（表征界面结合强度）的第一性原理计算，结合关键实验，提出了多层涂层界面结构的理论模型；并基于多层涂层的模板效应，获得了具有单相立方结构的Al0.66T0.34N/Ti0.52Al0.48N多层涂层，提高Ti-Al-N涂层中Al的固溶度，改善涂层的力学及热性能，并在切削刀具上实现产业化应用；.5. 项目执行期间，共发表SCI论文25篇、获授权专利5项、其中一项获2014年湖南省专利一等奖、另获2014年湖南省科技进步一等奖(排名第四)、毕业博士2名、硕士3名。