第十五届全国表面工程大会

摘 要：TiN涂层被广泛应用于工模具耐磨防护涂层，但其相对较低的硬度和抗氧化性能在一定程度上限制了其应用领域。为进一步改善TiN涂层的性能，本研究采用阴极弧蒸发法制备了立方结构的TiN、Ti_0.93Zr_0.07N、Ti_0.85Zr_0.15N、Ti_0.54Zr_0.46N涂层，并结合第一性原理计算研究了Ti_1−xZr_xN涂层的结构、力学与热性能。Zr的添加引起的固溶强化效应使涂层的硬度由TiN的25.7 ± 0.4 GPa先逐步提升至Ti_0.85Zr_0.15N的33.8 ± 0.5 GPa；然而，继续增加Zr含量导致的晶粒粗化使涂层的硬度反而降低至Ti_0.54Zr_0.46N的30.3 ± 0.5 GPa。Ti_1−xZr_xN涂层的抗氧化性随涂层中Zr含量增加而先上升后下降，TiN、Ti_0.93Zr_0.07N、Ti_0.85Zr_0.15N涂层在700 ℃氧化后的氧化层厚度分别为~0.29 μm、~0.14 μm和 ~0.99 μm，而Ti_0.54Zr_0.46N涂层与基体剥离。计算与实验结果共同表明：适量Zr添加能阻止Ti⁴⁺向外扩散并延缓锐钛矿型TiO₂向金红石型TiO₂的转变，随着Zr含量上升，作为O^2-快速扩散通道的ZrTiO₄相占比提高，严重影响涂层的抗氧化性能。
 

TiZrN涂层；第一性原理计算；硬度；固溶强化；抗氧化性