面向切削刀具的物理气相沉积涂层回顾与展望

高速高精切削加工对切削刀具提出了愈加严苛的性能要求,表面硬质涂层可以显著提升切削刀具的耐磨性和使用寿命,已成为高性能切削刀具研发的关键。本文首先介绍了表面硬质涂层在切削过程中所起到的重要作用,然后综述了目前常用硬质涂层(氮化物、硼化物、氧化物等)及相关物理气相沉积技术的发展脉络和研究现状,最后分析了物理气相沉积刀具涂层存在的研究和应用问题。

电弧/溅射复合沉积技术的发展及其在刀具涂层中的应用

通过电弧/溅射复合技术沉积刀具涂层,不仅可以规避单一沉积技术的固有缺陷,拓宽材料的选择范围,且其纳米多层结构能够有效结合不同组元的特性,协同提升涂层性能,有望为难加工材料的切削提供高性能涂层解决方案。首先对电弧/溅射复合技术的发展历史进行了回顾,概述了早期"ArcBond Sputtering"技术凭借多功能阴极弧源实现同一靶材在电弧与溅射两种沉积模式的自动切换,有效结合不同沉积技术的优势。在此基础上,重点综述了近年国内外研究机构及企业应用端关于复合沉积技术在刀具涂层领域的研究进展,包括利用电弧/溅射复合沉积制备高硬度纳米复合结构涂层;通过磁控溅射拓宽靶材成分的选择范围,电弧层与溅射层交替沉积制备具有摩擦自适应性的纳米多层刀具涂层;设计从底层电弧支持层向顶层非晶功能层过渡的涂层结构,采用高功率脉冲磁控溅射沉积非晶层(例如SiBCN与TiB_2),打断电弧层柱状晶的连续生长,涂层表现出致密的结构与优异的高温性能。此外,还总结了笔者对电弧/溅射复合沉积AlTiN以及AlTiN/AlCrN涂层的性能研究。最后,对国内复合沉积刀具涂层的应用前景以及尚待解决的科学问题进行了总结与展望。

占空比对脉冲电弧离子镀AlCrSiN涂层热稳定性和抗氧化性的影响

采用脉冲和直流电弧离子镀技术制备AlCrSiN涂层,研究占空比对涂层结构和性能的影响。采用扫描电镜观测涂层的生长形貌和化学成分,利用XRD分析涂层的相组成,结合光电子能谱技术分析涂层中元素化学键价,并通过纳米压痕法检测涂层的硬度和弹性模量。此外,对涂层进行真空退火和氧化处理,以评价涂层的高温结构和力学稳定性以及抗氧化性。结果表明:AlCrSiN涂层均为非晶Si3N4包裹纳米晶(Al, Cr)N的纳米复合结构;脉冲电弧沉积可以改善涂层的表面质量、提高组织致密性和硬度。占空比为1%时,AlCrSiN涂层具有最小的表面粗糙度(47 nm)和最高的硬度(31.5 GPa)。AlCrSiN涂层具有良好的热稳定性,950℃退火后其硬度仍高于30 GPa。AlCrSiN涂层的抗氧化温度超过1000℃;占空比的增加涂层的抗氧化性略有提升。

脉冲电弧沉积TiAlSiN涂层及其干式切削性能

为开发适于切削镍基高温合金的刀具涂层,采用脉冲电弧离子镀沉积TiAlSiN涂层,研究Si添加对TiAlN涂层耐磨性、抗氧化性及车削性能的影响。结果表明:Ti0.45Al0.45Si0.10N涂层具有最高的结合力(100 N)和硬度(35 GPa)。800℃高温下,Ti0.40Al0.40Si0.20N涂层已经磨穿,而Ti0.50Al0.50N和Ti0.45Al0.45Si0.10N的磨损率分别为4.48×10^(-6)和2.65×10^(-6) mm3·N-1·m-1;3种涂层都存在粘着磨损,其中,Ti0.50Al0.50N和Ti0.45Al0.45Si0.10N涂层分别还发生了磨粒磨损。此外,Si的合金化显著提高了Ti Al N涂层的抗氧化性。使用涂层刀具车削镍基高温合金时的寿命长短依次为Ti0.50Al0.50N<Ti0.40Al0.40Si0.20N<Ti0.45Al0.45Si0.10N。3种涂层刀具磨损形式以粘着磨损、氧化磨损及磨粒磨损为主。综上,因其优异的力学和耐磨耐氧化性能,Ti0.45Al0.45Si0.10N涂层具有更好车削性能。

电弧离子镀和高功率脉冲磁控溅射AlTiN涂层及其切削性能研究

目的比较两种沉积方法制备的AlTiN涂层的切削性能。方法利用高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)和电弧离子镀技术(AIP),在硬质合金车刀片上沉积AlTiN涂层,比较和研究两种AlTiN涂层的组织形貌特性及综合性能。利用扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪,观察和检测涂层的生长形貌和元素含量。采用激光共聚焦扫描显微镜表征涂层的表面粗糙度。使用X射线衍射仪分析涂层的物相结构。使用纳米压痕仪测量涂层的纳米硬度以及弹性模量。通过干式车削试验研究涂层刀具的切削性能,并对其磨损机理进行分析。结果两种涂层均为柱状晶生长,HiPIMS制备的AlTiN涂层相较AIP制备的AlTiN涂层,具有更加光滑平整的表面。两者压痕硬度相近,约为30 GPa,但HiPIMS-AlTiN涂层的弹性模量更小。随着切削距离的不断增加,刀具后刀面磨损变得越来越严重,未涂层的车刀在切削1 min(180 m)时,磨损量超过200μm,达到了失效标准。在相同条件下切削9 min(1620 m),AIP-AlTiN和HiPIMS-AlTiN两种涂层刀具后刀面的磨损量分别为231μm和190μm,AIP-AlTiN涂层刀具已达到失效标准。结论干式车削316L不锈钢时,HiPIMS-AlTiN涂层刀具的切削寿命长于AIP-AlTiN涂层刀具,切削过程中,两种涂层刀具的主要磨损形式均为粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损。

先进复合物理气相沉积技术制备高性能硬质涂层

现代切削技术的发展对涂层刀具提出了愈加严苛的使用要求,且不同的难加工材料需要不同的定制化切削方案。无论是采用电弧离子镀还是磁控溅射工艺,传统单一涂层刀具已不能满足高速干式切削的加工需求。通过电弧离子镀与磁控溅射复合技术,制备具有超晶格结构的纳米多层涂层,不仅可显著提升涂层的力学性能、高温抗氧化性以及抗磨损性能,还能克服单一沉积工艺的技术缺陷。通过回顾电弧/溅射复合沉积的发展历程,总结了国内外的相关研究成果以及产业化进展,并分析了复合沉积工艺对涂层力学性能与切削寿命的影响。

硬质合金及耐磨涂层：理论设计及产品开发（Ⅲ）

热力学和第一性原理计算在材料设计方面发挥着重要的作用,通过这些理论预测能够快速确定材料工艺-成分-结构-性能之间的关系。本文主要介绍了热力学计算在化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)涂层以及第一性原理计算在物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,简称PVD)涂层设计开发方面的应用,并以CVD TiSiN和PVD纳米多层TiAlN/ZrN新型涂层开发为例,详细阐述了热力学和第一性原理计算的具体作用。理论计算与关键实验验证相结合是提高耐磨涂层研发效率与质量的有效途径,同时也是未来新型耐磨涂层开发的发展趋势。