超硬材料網(wǎng)

       “沒有金剛鉆，不攬瓷器活。”眾所周知，在工具表面涂上高性能涂層，能夠提升工具性能和使用壽命。“這就好比穿上了金剛外衣一般。”近年來，納米復(fù)合涂層是將納米科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用于硬質(zhì)涂層的新產(chǎn)物，也是保護性涂層近年來的發(fā)展方向。
       但是，我國納米復(fù)合涂層相關(guān)技術(shù)起步較晚，國外技術(shù)的壟斷和封鎖導(dǎo)致國內(nèi)核心技術(shù)、涂層性能指標和生產(chǎn)成本方面相對滯后，嚴重制約了我國制造業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。為此，有三個關(guān)鍵點亟待突破——如何實現(xiàn)強度和韌性的協(xié)同提升？如何在惡劣的服役條件下實現(xiàn)高性能涂層的關(guān)鍵制備技術(shù)？如何實現(xiàn)涂層和工具基材之間高的結(jié)合強度？
       上海理工大學(xué)材料學(xué)院的李偉教授團隊，在國家科技支撐計劃和國家自然科學(xué)基金等項目的支持下，歷經(jīng)11年的產(chǎn)學(xué)研合作研究，攜手上海工具廠有限公司和寧波盾戈涂層技術(shù)有限公司攻克了多項關(guān)鍵核心技術(shù)。所研發(fā)的超硬納米復(fù)合涂層材料和關(guān)鍵技術(shù)榮獲2020年度上海市科技進步二等獎，項目獲授權(quán)發(fā)明專利32項，實用新型專利9項，發(fā)表論文55篇。
       目前，研制出的多系列高性能納米復(fù)合涂層產(chǎn)品，已批量應(yīng)用于硬質(zhì)合金銑刀、高性能高速鋼鉆頭、高性能高速鋼插齒刀等各種工具上，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車發(fā)動機、工程機械、軌道交通、冶金、發(fā)電能源、通用機械等眾多領(lǐng)域。涂層工具獲得了使用單位的高度評價，近三年新增產(chǎn)值4.06億元，新增利潤0.45億元，取得明顯的經(jīng)濟和社會效益。

納米復(fù)合涂層的微觀形貌

       如何變成“超硬”

       大家都知道，在自然界中，最硬的東西就是金剛石了，它的硬度可以達到100GPa。而通常，硬度達到30-40GPa的可成為“硬級”，超過40GPa的可稱為“超硬級”。
可是，如果一味追求“硬度”，往往會出現(xiàn)涂層破裂的現(xiàn)象。“這樣一來，刀具就要頻繁更換，成本一下子就上來了。”其實，工業(yè)的發(fā)展和進步不僅要求涂層具有高硬度和耐磨性，以保證工具表面的高切削能力或高耐磨損性能，同時要求其具有高的韌性，以抑制涂層因沖擊載荷等導(dǎo)致的脆性斷裂。“然而，材料的強韌化是一對矛盾，這要求納米復(fù)合涂層必須攻克高硬度、高耐磨與高韌性協(xié)同優(yōu)化的技術(shù)難題。”李偉教授介紹。
       怎么破解？李偉教授團隊經(jīng)過數(shù)千次的試驗后，提出了納米復(fù)合涂層的共格界面強化機制。簡單地說，就是通過在納米復(fù)合涂層的界面層中摻雜微量元素，使界面層進一步多相化，再通過優(yōu)化界面層厚度使納米復(fù)合涂層內(nèi)部形成共格界面，利用界面層的相分離對納米復(fù)合涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分割，使納米復(fù)合涂層中晶粒進一步細化，可在其內(nèi)部形成更多界面，這些界面的存在有利于緩解涂層內(nèi)部的應(yīng)力集中，并對微裂紋的擴散起到阻礙作用，從而對納米復(fù)合涂層起到增韌效果。這一技術(shù)，實現(xiàn)了納米復(fù)合涂層的硬度、耐磨性、韌性的協(xié)同提升。其中，通過優(yōu)化后的TiAlSiN納米復(fù)合涂層硬度達到43.2GPa、同時保護優(yōu)異的韌性。

納米復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)示意圖

       此外，李偉教授團隊基于界面層多相化增韌機制設(shè)計了不同材料體系的TiSiNiN、NbSiCN、ZrNiYN和TiSiCN納米復(fù)合涂層，通過界面層摻雜使納米復(fù)合涂層界面層產(chǎn)生多相化，在納米晶粒和界面相之間呈現(xiàn)共格外延生長的前提下，進一步提升納米復(fù)合涂層的韌性。

       如何制備“金剛衣”

       找到了方法，是不是很容易制備？答案是否定的。
       “納米復(fù)合涂層能否展現(xiàn)出優(yōu)異性能，關(guān)鍵得滿足兩點：一個是微結(jié)構(gòu)條件，另一個是成分條件。”李偉教授解釋，微結(jié)構(gòu)條件要求在涂層內(nèi)部形成界面相包裹納米晶粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)、以及界面相與納米晶粒之間的共格界面；成分條件是對納米復(fù)合涂層各元素成分進行精確控制，尤其對界面相進行元素摻雜時。
       經(jīng)過反復(fù)實驗推敲后，李偉教授團隊基于物理氣相沉積技術(shù)，聯(lián)手合作企業(yè)開發(fā)了具有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)和共格界面的反應(yīng)濺射離子鍍膜關(guān)鍵制備技術(shù)、實現(xiàn)納米復(fù)合涂層成分精確控制的復(fù)合靶材技術(shù)，實現(xiàn)了獲得優(yōu)異性能要求的微結(jié)構(gòu)和成分條件。這還遠遠不夠。
       工具在服役過程中承受很大的載荷，納米復(fù)合涂層對工具起到保護作用的關(guān)鍵前提是——涂層與基材具有較高的結(jié)合強度。否則，即使涂層的性能再高，也會因為過早脫落而起不到保護作用。尤其是隨著工具服役條件的愈發(fā)惡劣對涂層結(jié)合強度提出更為苛刻的要求。
       然而，納米復(fù)合涂層與基材具有不同的熱膨脹系數(shù)和點陣常數(shù)，因此在結(jié)合界面處將產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，如何提升涂層與基材的結(jié)合強度是涂層有效發(fā)揮作用的先決條件。為此，針對工具常用的硬質(zhì)合金、高速鋼等基材，李偉團隊研發(fā)了納米復(fù)合涂層的關(guān)鍵前處理技術(shù)和適用于不同涂層的梯度過渡層技術(shù)，降低了納米復(fù)合涂層與基材之間由于熱膨脹系數(shù)和點陣常數(shù)差異帶來的內(nèi)應(yīng)力，提升了涂層與基材的結(jié)合強度。其中，TiAlSiN和TiSiCN納米復(fù)合涂層在硬質(zhì)合金上的結(jié)合強度超過60牛頓。

納米復(fù)合涂層刀具

       實際應(yīng)用的效果已經(jīng)顯現(xiàn)。
       在航空航天領(lǐng)域，針對鈦合金難加工材料的特性，該系列涂層刀具與普通不涂層刀具相比，刀具壽命能有效提升，在切削過程中刀具過去容易出現(xiàn)的粘屑及表面過熱情況都得到有效改善，被加工件材料表面質(zhì)量好。在汽車領(lǐng)域，開發(fā)的涂層擠壓絲錐，在高碳連桿的加工方面，涂層刀具取得明顯成功，涂層M16擠壓絲錐，在加工碳50材料方面，連續(xù)攻絲達2000余孔，超過進口刀具壽命；開發(fā)的涂層M18擠壓絲錐，在加工42CrMo曲軸方面，加工壽命達到1000余孔，也成功替代進口產(chǎn)品。在齒輪加工領(lǐng)域，涂層高速鋼齒輪滾刀與傳統(tǒng)高速鋼齒輪滾刀相比，其切削效率與切削壽命均大幅提高。目前，公司的涂層齒輪滾刀已成功進入長春一汽、山東時風(fēng)集團等汽車加工領(lǐng)域。在工程機械領(lǐng)域，開發(fā)的涂層高性能高速鋼鉆頭和涂層高性能螺旋槽絲錐在起重機回轉(zhuǎn)支撐65Mn材料加工方面，成功替代進口，批量供貨。