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O含量对Ti-Al-O-N涂层结构、力学及热性能的影响

TiAlON涂层；第一性原理计算；硬度；调幅分解；沉淀强化

TiAlN涂层具有高硬度、高熔点以及优异的热稳定性能，是目前应用最为普遍的切削刀具涂层材料之一。其中，向TiAlN涂层掺杂氧元素以以进一步改善涂层性能（如抗氧化性、韧性和加工性能）引起了广泛的关注。本工作结合实验和理论计算研究了不同含量O添加对TiAlN涂层结构、力学和热性能的影响。结果表明：Ti_0.42Al_0.58N_0.95、Ti_0.41Al_0.59(O_0.08N_0.92)_1.02、Ti_0.41Al_0.59(O_0.12N_0.88)_1.06和Ti_0.41Al_0.59(O_0.18N_{0. 82})_1.13均为单相面心立方结构，且硬度基本保持不变~32.0 GPa。

O的加入抑制了TiAlN涂层的热分解过程，Ti_0.42Al_0.58N_0.95在退火过程中于900 ^oC达到峰值硬度34.3±0.7 GPa，而Ti_0.41Al_0.59(O_0.08N_0.92)_1.02 和Ti_0.41Al_0.59(O_0.12N_0.88)_1.06在1100 ^oC达到峰值硬度35.1±0.8和35.9±0.5 GPa，尤其是对于氧含量最高的Ti_0.41Al_0.59(O_0.18N_{0. 82})_1.13涂层于1200 ℃退火后才达到峰值硬度35.5 ± 0.8 GPa。第一性原理计算结合爬坡微动弹性带(CI-NEB)方法证明其内在机理为氧的添加通过增加Al的扩散激活能延缓了热分解过程。此外，添加8 at.%的氧可以显著改善抗氧化性能，而进一步提高氧含量其抗氧化性能下降，经800 ^oC氧化30h后，Ti_0.42Al_0.58N_0.95、Ti_0.41Al_0.59(O_0.08N_0.92)_1.02、Ti_0.41Al_0.59(O_0.12N_0.88)_1.06和Ti_0.41Al_0.59(O_0.18N_{0. 82})_1.13的氧化层厚度分别为~953 nm、~640 nm、~971 nm和~1161 nm。