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Ti1−x−y−zAlxTayYzN涂层的微结构、力学与热性能研究

TiAlTaYN涂层；硬度；热稳定性；抗氧化性

TiAlN涂层因其优异的力学性能和热稳定性被广泛应用于切削刀具防护领域，但相对较低的抗氧化性能限制了其在高温切削环境中的应用。本工作采用阴极弧蒸发法制备了Ti<sub>1−x−y−z</sub>Al<sub>x</sub>Ta<sub>y</sub>Y<sub>z</sub>N涂层，以研究Ta、Y共掺杂对TiAlN涂层结构、力学性能和热性能的影响： Ti<sub>0.46</sub>Al<sub>0.54</sub>N、Ti<sub>0.41</sub>Al<sub>0.52</sub>Ta<sub>0.04</sub>Y<sub>0.03</sub>N、Ti<sub>0.42</sub>Al<sub>0.52</sub>Ta<sub>0.05</sub>Y<sub>0.01</sub>N和Ti<sub>0.40</sub>Al<sub>0.53</sub>Ta<sub>0.07</sub>N涂层为单相立方结构，涂层的硬度由Ti<sub>0.46</sub>Al<sub>0.54</sub>N的30.0 ± 0.5 GPa逐步提升至Ti<sub>0.40</sub>Al<sub>0.53</sub>Ta<sub>0.07</sub>N的33.8 ± 1.1 GPa；Y添加降低了Al在TiN中的固溶度，Ti<sub>0.41</sub>Al<sub>0.52</sub>Ta<sub>0.01</sub>Y<sub>0.06</sub>N和Ti<sub>0.41</sub>Al<sub>0.52</sub>Ta<sub>0.02</sub>Y<sub>0.05</sub>N涂层为立方-六方两相结构，涂层硬度分别下降为24.0 ± 1.0 GPa和 26.2 ± 1.0 GPa。适量的Ta、Y掺杂抑制了Ti<sub>1-x-z</sub>Al<sub>x</sub>Y<sub>z</sub>N涂层中的热分解过程，改善了涂层的热稳定性。此外，Ti<sub>1−x−y−z</sub>Al<sub>x</sub>Ta<sub>y</sub>Y<sub>z</sub>N涂层的抗氧化性能随涂层中Ta含量的增加而上升：在900 °C 氧化10 h后，Ti<sub>0.46</sub>Al<sub>0.54</sub>N 涂层已完全氧化，而Ti<sub>0.41</sub>Al<sub>0.52</sub>Ta<sub>0.01</sub>Y<sub>0.06</sub>N、Ti<sub>0.41</sub>Al<sub>0.52</sub>Ta<sub>0.02</sub>Y<sub>0.05</sub>N、Ti<sub>0.41</sub>Al<sub>0.52</sub>Ta<sub>0.04</sub>Y<sub>0.03</sub>N、Ti<sub>0.42</sub>Al<sub>0.52</sub>Ta<sub>0.05</sub>Y<sub>0.01</sub>N和Ti<sub>0.40</sub>Al<sub>0.53</sub>Ta<sub>0.07</sub>N的氧化层厚度分别为~3.73，~3.45， ~1.78，~1.09和0.85 μm。