AlTiN涂層合金劃痕測試的失效形式及其失效機理的有限元分析
摘要：為了研究硬質合金基體中硬質相和粘結相對涂層內聚失效抗力(LC1)和膜基結合力(LC2)的協同作用,設計制備了具有硬質相+粘結相兩相結構的WC-10Co-0.65Cr3C2-0.35VC(10Co)、無金屬粘結相WC-6Mo2C-0.68Cr3C2-0.37VC(bWC)和無硬質相85.1Co-9.2W-4.7Cr3C2–1.0VC(CoW)合金。采用直流磁控濺射技術,在上述合金基體表面分別沉積了厚度約5μm的Al0.55Ti0.45N薄膜。通過劃痕測試獲得的LC1和LC2及其差值,對涂層的失效形式進行了表征。通過劃痕測試過程中涂層應力分布的有限元分析,研究涂層合金劃痕失效形式所對應的形成機理。在此,LC1對應涂層首次被剝離或基體首次被暴露時所對應的載荷,與涂層的內聚失效抗力呈正相關關系;LC2對應涂層被完全從基體剝離時的載荷,表征涂層合金的膜基結合強度。在此基礎上,進一步研究WC–Co合金基體中WC晶粒度和Co含量對涂層合金劃痕測試過程中涂層中應力分布的影響。結果表明,采用軟質CoW合金基體,涂層的LC1和LC2均為最低;采用硬質bWC合金基體,涂層的LC2最大,但LC1和LC2差值也最大;采用10Co合金基體,涂層的LC1最大,LC1和LC2差值最小。涂層與基體的楊氏模量比和基體硬度是影響LC1和LC2的關鍵因素。降低硬質合金基體的晶粒度,選擇適中的Co含量,均有利于LC1和LC2的同步改善。
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