B和Si掺杂对CrAlN涂层结构和切削钛合金寿命的影响

作者：王羽中; 史耀耀^*; 张国飞; 贺云鹏

来源：表面技术, 2023, 52(10): 360-393.

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.031

• Cr1–xAlxN涂层
• 多元掺杂
• 热稳定性
• 抗氧化性
• 切削性能

目的 CrAlN涂层以其优异的抗氧化性能被广泛应用于切削刀具涂层领域,针对CrAlN涂层热稳定性较低,在超过900℃后会发生热分解,导致其力学性能显著下降的问题,通过B、Si共掺杂方法改善CrAlN涂层的性能。方法 采用阴极弧蒸发方法制备Cr0.42A10.58N、Cr0.35Al0.59B0.06N、Cr0.37Al0.54 Si0.09N涂层,借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪,通过划痕和切削实验研究B和Si掺杂对CrAlN涂层晶体结构、硬度、结合力、热性能和切削寿命的影响。结果 Cr0.42A10.58N和Cr0.35A10.59B0.06N涂层为单相立方结构,Cr0.37Al0.54Si0.09N涂层为立方和六方的两相结构;Cr0.42A10.58N、Cr0.35Al0.59B0.06N、Cr0.37A10.54Si0.09N涂层的硬度分别为(29.8±1.5)、(36.9±1.4)、(33.8±1.6)GPa,与基体的结合力分别为116.2、58.3、58.0 N;通过B和Si掺杂抑制了CrAlN涂层的热分解过程,Cr-N键的断裂起始温度由Cr0.42A10.58N的1 000℃提高到Cr0.35Al0.59B0.06N的1 200℃和Cr0.37Al0.54Si0.09N的1 100℃;在1 100℃下氧化15 h后,Cr0.42A10.58N、Cr0.35Al0.59B0.06N、Cr0.37Al0.54Si0.09N涂层的氧化层厚度分别为2.38、1.80、0.53μm。结论 通过B和Si掺杂提高了CrAlN涂层的力学性能、热稳定性和抗氧化性,其中CrAlBN涂层呈现出最优异的热稳定性和切削性能,CrAlSiN涂层的抗氧化性最佳。

• 单位
  西北工业大学; 株洲钻石切削刀具股份有限公司