高膜基结合力驱动的TiAlN基PVD涂层硬质合金基体与界面研究
结题报告
批准号:
51574292
项目类别:
面上项目
资助金额:
68.0 万元
负责人:
张立
依托单位:
学科分类:
E0413.粉末冶金与粉体工程
结题年份:
2019
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
李凯、熊湘君、谢亚、陈宜、唐炜、刘兆刚、朱骥飞、田威、刘婷
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中文摘要
以“中国制造2025”目标为导向,以攻克膜基界面微观结构设计与调控这一关键核心技术,实现涂层高膜基结合力与高膜基结合力稳定性为目标,围绕硬质合金基体中各物相微观特性及其协同效应对膜基结合力作用机制这一关键科学问题,以具有典型形核各向异性的TiAlN基PVD涂层为切入点,提出基于薄膜形核晶体学位向关系、界面原子扩散主通道与应力松弛微通道设计的涂层硬质合金专用基体微观结构设计与调控新概念;研究以WC晶面因子、物相成分因子与界面因子为代表的硬质合金微观组织中物相特性对薄膜特性匹配度的调控方法;建立含WC(0001)强结合面和弱结合面、硬质相晶粒度和β相平均自由程的单胞模型,开展膜基界面微观热应力有限元模拟;采用FIB制样技术、图像球差校正FETEM和3DAP关键设备,系统开展原子尺度膜基界面与薄膜内部结构研究,充分挖掘基体、膜基、薄膜微观结构与涂层物理、力学、电化学、微观应力等参数间本征关联。
英文摘要
The realization of “Made in China 2025” national strategy is strongly affected by the core technology localization level of coated cemented carbide tools. This project is aimed to conquer the key core technology of coated cemented carbides, i.e., the design, regulation and control of the microstructures of the film-substrate interfaces, and hence to achieve high film adhesion and high stability of film adhesion. TiAlN based PVD coatings, with typically anisotropic nucleation characteristic are chosen for the investigations. To solve the key scientific issue, i.e., the microscopic characteristics of each phase in cemented carbide substrates and their synergistic effects on the mechanism of film adhesion, and hence to achieve the above-mentioned targets, a series of investigations are proposed. A new concept of the microscopic structure design and regulation for the coated cemented carbide substrates is proposed, including the crystallographic orientation relationships of film nucleation, the main channels for atomic diffusion and the micro-channels for stress relaxation at the interfaces. Regulation and control methods of the characteristic-matching degrees among the phases of the cemented carbide substrates and the films will be developed. For the substrates, WC crystal factor, phase composition factor and interface factor are the representative characteristics. A finite element simulation method on the micro thermal stresses at the film-substrate interfaces is proposed based on a unit cell model containing WC (0001) with strong adhesion and other crystallographic planes with weak adhesion, the average grain size of WC and the mean free path of the β phase. A FIB sample preparation technique, image-corrected Titan3™ G2 60–300 S/TEM and 3DAP key equipment will be employed to carry out the atomic scale investigations of the film-substrate interfaces and film structures. The intrinsic connections among the microstructures of the substrates, interfaces and films, the physical, mechanical, electrochemical, microscopic stress parameters of the coatings will be fully excavated.
以实现PVD涂层高膜基结合力与高膜基结合力稳定性为目标,围绕硬质合金基体中各物相微观特性及其协同效应对膜基结合力作用机制这一关键科学问题,开展相关研究的主要结果如下: .1)硬质相与Co基粘结相(β相)分别通过形成共格/半共格膜基相界面和耗散薄膜生长应力,实现对膜基结合力(LC2)和涂层内聚失效抗力(LC1)的改善。提高WC(0001)晶面比例或通过固溶原子降低WC晶格常数,均有利于形成共格/半共格膜基相界面。 .2)薄膜生长过程中,界面处β相中因拉应力超过其极限强度而产生塑性变形和马氏体相变,耗散薄膜应力,形成强适配性无序原子层。β相中W原子向膜基界面迁移,形成bcc-W原子层与涂层间半共格界面,实现膜基界面硬度和弹性模量梯度适恰。基体Co含量为10~12%时,涂层可获得最高的LC1和LC2。.3)增加β相中W/Cr/V/Ta/Ti/Mo固溶量,改善硬质相和β相分布均匀性,降低硬质相晶粒度和邻接度,降低基体表面粗糙度,均能有效降低涂层中残余应力波动,有利于膜基结合力及其稳定性提高。 .4)高分辨透射电镜分析表明,采用新开发的高WC(0001)晶面比例的细小纯板状晶硬质合金作基体的PVD-AlTiN/TiN纳米复合涂层合金(新型涂层合金)中,存在TiN(-11-1)/WC(0001)共格界面和TiN(200)/WC(01-11)半共格界面,验证了新型涂层合金LC2>100 N高膜基结合力作用机理。由于PVD-AlTiN/TiN纳米复合涂层的超晶格强化效应,铣削受力时内部原位形成的微纳尺度裂纹能释放不均匀塑性变形所导致的残余应力,从而有效延缓铣削刀具表面裂纹的萌生和扩展。 .5)采用相同涂层工艺和铣削工艺,在316L不锈钢干、湿式铣削条件下,因涂层超晶格强化效应和高比例共格/半共格膜基相界面强化效应的协同作用,新型涂层合金铣削刀具较商业化参比对象寿命分别提高55%和42%。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.3969/j.issn.1003-7292.2019.04.002
发表时间:2019
期刊:硬质合金
影响因子:--
作者:黄龙;张立;陈默贤;钟志强;朱俊杰;吴厚平
通讯作者:吴厚平
Effect of direct current patterns on densification and mechanical properties of binderless tungsten carbides fabricated by the spark plasma sintering system
直流电流模式对放电等离子烧结系统制备的无粘结剂碳化钨致密化和机械性能的影响
DOI:10.1016/j.ijrmhm.2017.01.010
发表时间:2017-04
期刊:International Journal of Refractory Metals and Hard Materials
影响因子:3.6
作者:Tang Wei;Zhang Li;Zhu Ji fei;Chen Yi;Tian Wei;Liu Ting
通讯作者:Liu Ting
Coated cemented carbide tool life extension accompanied by comb cracks: The milling case of 316L stainless steel
伴随梳状裂纹的涂层硬质合金刀具寿命延长:316L不锈钢铣削案例
DOI:10.1016/j.wear.2018.11.019
发表时间:2019-01
期刊:Wear
影响因子:5
作者:Zhang Li;Zhong Zhi-qiang;Qiu Lian-chang;Shi Hai-dong;Layyous Albir;Liu Shao-ping
通讯作者:Liu Shao-ping
Residual stresses and HRTEM phase interface structures of AlN structured PVD coatings on plate-grained WC-Co substrate
板状晶粒 WC-Co 基体上 AlN 结构 PVD ​​涂层的残余应力和 HRTEM 相界面结构
DOI:10.1016/j.ijrmhm.2018.08.002
发表时间:2018
期刊:International Journal of Refractory Metals and Hard Materials
影响因子:3.6
作者:Zhang Li;Zhong Zhi Qiang;Chen Yi;Xiao Qiao Ping;Luo Guo Kai;Zhu Jun Jie
通讯作者:Zhu Jun Jie
DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2019.09.08
发表时间:2019
期刊:中国有色金属学报
影响因子:--
作者:黄伯云;韦伟峰;李松林;张立;李丽娅;刘锋;李瑞迪
通讯作者:李瑞迪
内皮祖细胞外泌体源性miR-26a-5p靶向COX-2/PGE2抑制巨噬细胞铁死亡改善COPD小气道重塑的机制研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    30万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    张立
  • 依托单位:
强韧化驱动的TiCN 基金属陶瓷中界面精细结构调控研究
  • 批准号:
    2019JJ40373
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    张立
  • 依托单位:
V-Cr-La掺杂WC-Co合金烧结过程中合金组元之间的溶解与界面偏析协同行为
  • 批准号:
    51074189
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    35.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    张立
  • 依托单位:
稀土在硬质合金烧结体表面富集的现象与过程机理研究
  • 批准号:
    50574104
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    26.0万元
  • 批准年份:
    2005
  • 负责人:
    张立
  • 依托单位:
国内基金
海外基金