第十五届全国表面工程大会

TiAlTaN涂层因具有较优异的结构稳定性、力学性能和抗氧化性被广泛应用于切削刀具防护领域，第五组元掺杂可进一步改善TiAlTaN涂层的综合性能。本工作采用阴极弧蒸发法制备了Ti_0.34Al_0.50Ta_0.16N、Ti_0.33Al_0.51Ta_0.13B_0.03N和Ti_0.33Al_0.52Ta_0.12Si_0.03N涂层，结合实验和第一性原理计算探究了B和Si掺杂对TiAlTaN涂层结构、力学与热性能的影响。结果表明B或Si掺杂会降低TiAlTaN涂层的韧性；但B/Si元素掺杂引起的固溶强化和细晶强化提高了TiAlTaN涂层的硬度，Ti_0.33Al_0.51Ta_0.13B_0.03N涂层具有最大的硬度值37.8 ± 0.6 GPa，且其在1000°C退火后获得了最大的峰值硬度39.3 ± 0.9 GPa。TiAlTaXN涂层的氧化失效机制主要取决于O向内扩散对晶格结构的破坏程度以及氧化层的致密性。分子动力学模拟表明TiAlTaBN体系的晶格结构在氧化过程中易遭到破坏，而TiAlTaSiN体系对O原子的向内扩散有较强的阻碍作用。Si掺杂抑制了TiAlTaN涂层氧化过程中锐钛矿型TiO₂向金红石型TiO₂的转变。Ti_0.34Al_0.50Ta_0.16N、Ti_0.33Al_0.51Ta_0.13B_0.03N和Ti_0.33Al_0.52Ta_0.12Si_0.03N涂层在1000°C氧化15 h后的氧化层厚度分别为~1.08 μm、1.25 μm和0.83 μm。

TiAlTaXN涂层,力学性能,热性能,第一性原理计算