TiAlVN和CrAlVN涂层的成分设计及其热性能、自润滑和切削性能研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    51371201
  • 项目类别：
    面上项目
  • 资助金额：
    80.0万
  • 负责人：
    陈利
  • 依托单位：
    中南大学
  • 学科分类：
    E0103.金属材料使役行为与表面工程
  • 结题年份：
    2017
  • 批准年份：
    2013
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2014-01-01 至2017-12-31

项目摘要

The thermal properties of TiAlN and CrAlN coatings, which are widely applied in cutting tools, do not meet the demand of high speed machining. Therefore, the coatings with optimized thermal properties or low frictional coefficient in general are needed. Here, we will research the effect of V on the microstructure, mechanical and thermal propertis of TiAlN and CrAlN coatings Incorporation of V into TiAlN and CrAlN can decrease the machining temperature of coated tools by their self-lubrication, and also results in a possibility to improve their thermal stability. We predict the crystal structure and properties of TiAlVN and CrAlVN coatings using the first principles combined with molecular dynamics, which are then verified by experiments. A simple and general method for design and preparation of quarternary coatings will be obtained. Based on the above calculated compositions, the effect of technological parameters on microstructure and mechanical properties of TiAlVN and CrAlVN coatings are researched. Also the thermal stability of TiAlVN and CrAlVN coatings is investigated. Furthermore,the self-lubrication mechanism of V-containing coatings is revealed according to the oxidation resistance and frictional wear with elevated temperature. The coatings with high thermal stability and self-lubrication ability will be acquired. This research will provide guidance for the design, development and application of TiAlXN and CrAlVN quarternary coatings with excellent properties.
目前常用的TiAlN和CrAlN涂层已不能满足高速切削加工对其热性能的要求，因此，有必要开发具有更高热性能或低摩擦系数的涂层材料来改善刀具涂层的性能。基于此，本项目拟通过在TiAlN和CrAlN涂层中添加V元素改善其热稳定性，同时利用含V涂层在切削过程中的自润滑效应降低切削区域的温度，改善涂层刀具的切削性能。首先耦合第一性原理和分子动力学预测TiAlVN和CrAlVN的结构和性能，结合相关实验对其验证，并为四元涂层的成分设计提供一种简便通用的方法。然后以理论计算获得的成分为指导制备涂层，研究TiAlVN和CrAlVN涂层微结构和力学性能，探索最佳涂层制备工艺；结合高温摩擦磨损试验和抗氧化性能研究揭示含V涂层的自润滑机理；研究涂层的热稳定性，获得兼具自润滑效应和高热稳定性的涂层，并对其进行切削应用评价。本研究将为高性能TiAlXN和CrAlXN四元涂层的设计、开发与应用提供指导。

结项摘要

涂层刀具结合了表面涂层高耐磨性、高热性能和基体高韧性、高强度的优点，可大幅度改善刀具切削性能、提高机械加工效率，成为现代刀具的重要发展方向。目前切削刀具常用的TiAlN和CrAlN涂层已不能满足高速切削加工对其热性能的要求，因此，有必要开发具有更高热性能或低摩擦系数的涂层材料来改善刀具涂层的性能。基于此，本项目以TiAlN和CrAlN涂层为研究对象，首先通过多元合金化添加V元素获得具有高热稳定性和自润滑效应的TiAlVN和CrAlVN涂层；其次通过多层结构优化设计改善其性能。研究取得如下进展：.1. 采用第一性原理预测TiAlVN和CrAlVN体系的晶体结构，并结合关键实验设计涂层成分，为获得具有立方结构、高Al含量的TiAlXN和CrAlXN涂层的设计与制备提供一种通用、简便可行的方法；.2. 以上述理论计算为指导，制备了具有单相立方结构的Ti0.50Al0.44V0.06N、Ti0.40Al0.50V0.10N涂层；V的加入提高了TiAlN涂层的热稳定性，但使其抗氧化性能降低；结合TiAlVN涂层的高温抗氧化性和切削性能揭示其自润滑机理；TiAlVN涂层的自润滑效应与其V含量密切相关，Ti0.50Al0.44V0.06N涂层切削过程中无明显的自润滑效应，而Ti0.40Al0.50V0.10N涂层则由于其切削过程中自润滑相V2O5的形成而呈现自润滑效应；.3. V的加入提高了CrAlN涂层的硬度和热稳定性，但降低其抗氧化性能；Cr0.44Al0.50V0.06N涂层在切削过程中氧化形成自润滑相V2O5的生成而呈现自润滑效应；.4. 以TiAlN/TiN和TiAlN/ZrN纳米多层为研究对象，基于其形成能（表征界面结构的稳定性）和界面分离功（表征界面结合强度）的第一性原理计算，结合关键实验，提出了多层涂层界面结构的理论模型；并基于多层涂层的模板效应，获得了具有单相立方结构的Al0.66T0.34N/Ti0.52Al0.48N多层涂层，提高Ti-Al-N涂层中Al的固溶度，改善涂层的力学及热性能，并在切削刀具上实现产业化应用；.5. 项目执行期间，共发表SCI论文25篇、获授权专利5项、其中一项获2014年湖南省专利一等奖、另获2014年湖南省科技进步一等奖(排名第四)、毕业博士2名、硕士3名。

项目成果

期刊论文数量（26）
专著数量（0）
科研奖励数量（3）
会议论文数量（5）
专利数量（5）
Effect of CrN addition on the structure, mechanical and thermal properties of Ti-Al-N coating
CrN添加对Ti-Al-N涂层结构、力学和热性能的影响
  • DOI：
    10.1016/j.surfcoat.2013.08.010
  • 发表时间：
    2013-11
  • 期刊：
    Surface and Coatings Technology
  • 影响因子：
    5.4
  • 作者：
    Yu X. Xu;Li Chen;Bing Yang;Ying B. Peng;Yong Du;Ji C. Peng;Fei Pei
  • 通讯作者：
    Fei Pei
Influence of TiN and ZrN insertion layers on the microstructure, mechanical and thermal properties of Cr-Al-N coatings
TiN和ZrN嵌入层对Cr-Al-N涂层微观结构、力学和热性能的影响
  • DOI：
    10.1016/j.surfcoat.2015.11.033
  • 发表时间：
    2016
  • 期刊：
    Surface and Coatings Technology
  • 影响因子：
    5.4
  • 作者：
    Li Chen;Yu X. Xu;Li J. Zhang
  • 通讯作者：
    Li J. Zhang
Improving thermal stability of TiSiN nanocomposite coatings by multilayered epitaxial growth
通过多层外延生长提高 TiSiN 纳米复合涂层的热稳定性
  • DOI：
    10.1016/j.surfcoat.2017.04.057
  • 发表时间：
    2017-07
  • 期刊：
    Surface and Coatings Technology
  • 影响因子：
    5.4
  • 作者：
    Yu X. Xu;Li Chen;Zi Q. Liu;Fei Pei;Yong Du
  • 通讯作者：
    Yong Du
Improved Ti-Al-N coatings through Ta alloying and multilayer architecture
通过 Ta 合金化和多层结构改进 Ti-Al-N 涂层
  • DOI：
    10.1016/j.surfcoat.2017.09.016
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    Surface and Coatings Technology
  • 影响因子：
    5.4
  • 作者：
    Yan Yang;Yu X. Xu;Li Chen;Paul H. Mayrhofer
  • 通讯作者：
    Paul H. Mayrhofer
Thermal stability and oxidation resistance of V-alloyed TiAlN coatings
V合金TiAlN涂层的热稳定性和抗氧化性
  • DOI：
    10.1016/j.ceramint.2017.10.100
  • 发表时间：
    2018
  • 期刊：
    Ceramics International
  • 影响因子：
    5.2
  • 作者：
    Yu X. Xu;Li Chen;Fei Pei;Jian L. Yue;Yong Du
  • 通讯作者：
    Yong Du

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其他文献

基于Geom/Geom/(Geom/Geom)的双输入排队系统
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  • 期刊：
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  • 作者：
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    陈利
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  • DOI：
    --
  • 发表时间：
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    --
  • 作者：
    张伟彬;杜勇;彭英彪;李娜;周鹏;程开明;张聪;张忠健;王社权;徐涛;陈伟民;陈利;谢文;温光华;龙坚战;张颢;刘向忠;金展鹏
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  • 发表时间：
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    曹建梅
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  • 发表时间：
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  • 作者：
    张典堂;陈利;孙颖;孙绯;张一帆
  • 通讯作者：
    张一帆

其他文献

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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