TiSiN/TiAlN纳米多层涂层的共格界面强化机制及其力学和热性能研究

The cutter material with better properties is needed for high speed and dry machining. In the present proposal, the TiSiN/TiAlN nano-multilayer coatings with coherent growth and Si-solution will be prepared according to the template effect of nano-multilayer coating. It is possible that the TiSiN/TiAlN nano-multilayer coatings with Si-solution solve the high stress of TiN/SiNx nanocomposite structure, and obtain superhardness and high thermal properties by their structure optimization. Firstly, theoretical model of multilayer structure for TiSiN/TiAlN nano-multilayer coatings based on the first principles will be built, which is then optimized by key experiments. The structure of TiSiN/TiAlN nano-multilayer coatings, which are prepared under the guidance of the above model, will be improved according to the investigations of microstructure and mechanical properties. And then we shall study the thermal stability of TiSiN/TiAlN coatings to reveal the strengthening mechanism of coherent interface. Furthermore, their oxidation resistance will be researched. Finally, the machining performance will be investigated by the coated inserts. This work will offer a universal and feasible method for design and preparation of nano-multilayer coatings. And the obtained TiSiN/TiAlN nano-multilayer coatings with excellent properties will improve significantly the machining properties of cutting tools, and have great prospect of application.

为满足高速、干式切削对刀具材料日益苛刻的性能要求，本项目拟通过多层涂层的模板效应制备共格生长的TiSiN/TiAlN纳米多层涂层，使TiSiN层中的Si以固溶形式存在，克服TiN/SiNx复合结构的高应力问题，以此为基础优化涂层的多层结构，获得高热性能的TiSiN/TiAlN超硬涂层。首先借助第一性原理计算构建TiSiN/TiAlN涂层多层结构的理论模型，结合关键实验对模型进行优化。以上述模型为指导制备共格生长的TiSiN/TiAlN多层涂层，并基于涂层微结构和力学性能研究改善多层结构；研究涂层热稳定性，揭示TiAlN基多层涂层热稳定性改善的界面强化机理；探讨涂层的高温抗氧化性能，获得高热性能的TiSiN/TiAlN超硬涂层，并对其进行切削应用评价。本项目将为设计和制备纳米多层涂层提供通用、简便可行的方法，制备的高性能TiSiN/TiAlN多层涂层可显著提升刀具切削性能，有广阔的应用前景。

TiAlN涂层具有高硬度、高熔点和热稳定性好等优良性能，是目前应用最为普遍的切削刀具涂层材料之一。但TiAlN涂层的抗氧化温度较低，约800oC。在切削一些难加工材料时，刀具刃口的温度可能达到1000oC以上，超过了TiAlN涂层的服役温度。因此，有必要寻求改善TiAlN涂层高温性能的方法。本项目首先通过理论计算构建多层涂层界面结构的理论模型，然后以此为指导通过多层涂层的模板效应制备共格生长的TiSiN/TiAlN纳米多层涂层，改善涂层的力和热性能。研究取得如下进展：. 1. 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；为纳米多层涂层的设计与制备提供一种通用、简便可行的方法。. 2. 获得了具有优异热性能的Ti1−xSixN/TiAlN超硬涂层。基于上述理论计算设计的多层结构模型，制备具有共格界面、低应力的Ti1−xSixN/TiAlN多层涂层。Ti1-xSixN的引入提高了涂层的热稳定性，涂层在1200oC退火后硬度为~42.5GPa，仍处于时效硬化阶段。Ti1−xSixN/TiAlN多层涂层的抗氧化性优于TiAlN和Ti1−xSixN单层涂层。. 3. 揭示氧掺杂改性TiAlN涂层的强化机制。基于TiAlON涂层的热分解过程和退火过程中的硬度变化，发现在TiAlN涂层中添加O元素可显著提高其热稳定性。基于第一性原理的爬坡微动弹性带(CI-NEB)方法计算了TiAlON体系的扩散激活能，从动力学角度证实了O掺杂抑制了TiAlN涂层的热分解。. 4. 实现了TiAlN/CrAlN纳米多层涂层的切削应用。通过多层结构优化设计的TiAlN/CrAlN纳米多层涂层，结合了TiAlN涂层高的热稳定性、时效硬化效应和CrAlN涂层的高温抗氧化性等多重优势，改善了涂层的力学和热性能；基于上述研究，开发出钢材铣削整体刀具牌号KMG4012。. 5. 项目执行期间，以通讯作者发表论文26篇，其中SCI检索25篇、EI检索1篇，申请专利3项；指导的博士生许雨翔获2020年湖南省优秀博士论文、硕士生胡春获2020年湖南省优秀毕业生；排名第一获2017年湖南省科技进步二等奖；毕业博士2名、硕士8名。