摘要
近年来，耐磨涂层的应用和发展，包括硼化物、氮化物和碳化物涂层，有效延长了传统工具的使用寿命，拓宽了其应用范围。物理气相沉积技术（PVD）制备的TiN基氮化物具有优异的力学性能、热稳定性和抗氧化性，其中AlTiN、TiSiN、AlTiSiN等氮化物涂层可以显著提高刀具的切削性能，被广泛应用于硬质合金刀具的表面防护。硬质刀具涂层作为刀具上的防护层进行切削时，剧烈摩擦带来的局部高温使涂层组织结构和力学性能发生变化，影响涂层使用性能，因此需要迫切了解刀具涂层在高温下的微观结构和力学性能变化。本论文首先针对AlTiN涂层在不同条件下真空退火，探究其发生时效硬化现象的温度、时间关联。再针对Ti基氮化物涂层研究原位和非原位测量方法在温度为RT~800℃时的力学性能（包括硬度、弹性模量和抗蠕变性能），探究其力学性能演变规律及机制。本论文的研究及取得的成果主要如下： （1）阴极电弧沉积的AlTiN涂层呈现柱状晶的生长形貌，沉积态为fcc结构的固溶体相结构。涂层硬度和弹性模量随着真空退火温度的升高和真空退火时间延长先增大后减小，主要因为fcc-TixAl1-xN固溶体相高温下调幅分解形成富钛的fcc相和富铝的fcc相，但富铝的fcc-AlTiN相不稳定，随着退火时间延长，会析出稳定的w-AlN相。涂层在750℃下退火时间3小时后硬度达到最大值35.8GPa。在退火温度为900℃的时候，AlTiN涂层的硬度和弹性模量均低于沉积态涂层。 （2）阴极电弧沉积的TiSiN和AlTiSiN涂层的SEM横截面均显示出均匀致密的玻璃态形貌，两种涂层都呈现典型的面心立方（fcc）结构，TiSiN涂层表现出（200）择优取向，AlTiSiN涂层择优取向不明显。TiSiN涂层和AlTiSiN涂层的硬度和弹性模量随着温度的升高都呈上升趋势，最大硬度分别为38.4GPa和37.3GPa，弹性模量分别为510GPa和474GPa。TiSiN和AlTiSiN涂层退火均会使涂层抗蠕变性能减弱，TiSiN涂层在600℃下退火2小时后压痕深度最大，而AlTiSiN涂层在300℃下退火10小时后压痕深度最大，也代表它们的抗蠕变性能最差。高温原位下稳态蠕变速率均会增加一个数量级，抗蠕变性能大幅度减弱，且都是600℃时稳态蠕变速率最大。 （3）阴极电弧沉积的TiCrAlSiYN涂层表现为均匀致密的截面形貌，退火温度升高至800℃时生成了柱状晶结构。涂层XRD结果显示面心立方TiN相固溶体峰，硬度和弹性模量在退火后增大，在800℃都达到最大数值，分别为36.3GPa和465GPa，在400~800℃的高温原位下硬度和弹性模量都大幅度减小，硬度和弹性模量最低下降至11.5GPa和131GPa。沉积态涂层在600℃和800℃下的抗蠕变性能优于室温下涂层的抗蠕变性能；比较不同温度退火后涂层的室温抗蠕变性能，600℃退火后涂层抗蠕变性能最差。 （4）电弧-溅射复合沉积的TiAlN/WN纳米多层涂层截面为柱状晶形貌，在退火后柱状晶晶粒变大。涂层表现出面心立方（fcc）TiN结构，具有（111）和（220）晶面的生长取向。800℃真空退火导致涂层硬度和弹性模量从沉积态的31.7GPa和437GPa升高到36.4GPa和541GPa。在300~800℃高温原位实验中，涂层硬度从22.1GPa逐渐下降至12.9GPa，而弹性模量从135GPa上升至266GPa。沉积态涂层在高温下抗蠕变性能变差；比较不同温度退火后涂层的室温抗蠕变性能，800℃退火后的涂层抗蠕变性能最好，600℃退火后涂层抗蠕变性能最差。
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