切削高溫合金用涂層的研究進(jìn)展

季思源，萬維財(cái)，彭卓豪，劉子京，秦運(yùn)，王宗元，王杰，黃淙

西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

1 引言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，高速切削和干式切削技術(shù)也得到了快速提升，對(duì)硬質(zhì)合金刀具涂層的硬度、耐磨性、抗氧化性和熱穩(wěn)定性提出了更高的要求[1]。例如，在高速切削高溫合金時(shí)，刀具涂層在切削熱應(yīng)力作用下，切削刀具的溫度可升至上千攝氏度。在這種狀態(tài)下，刀具涂層的組織結(jié)構(gòu)以及物理化學(xué)性能會(huì)發(fā)生劇烈變化，高溫破壞涂層致使涂層發(fā)生軟化，其膜基結(jié)合力以及切削性能會(huì)急劇下降，涂層甚至?xí)l(fā)生脫落，硬質(zhì)合金刀具失去涂層的保護(hù)后會(huì)快速失效[2]。因此，有必要提高刀具涂層的抗氧化性和熱穩(wěn)定性，使硬質(zhì)合金刀具在高效率、高質(zhì)量切削的同時(shí)，延長其使用壽命。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)刀具涂層進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，并在高溫合金切削領(lǐng)域取得巨大突破和進(jìn)展。在制備技術(shù)不斷改進(jìn)的同時(shí)，刀具涂層的種類也在發(fā)生著快速的更新?lián)Q代，朝著多元、多層、多梯度且趨于納米化的方向快速發(fā)展[3]。

2 制備方法

化學(xué)氣相沉積法 (CVD) 和物理氣相沉積法 (PVD) 是目前刀具涂層制備技術(shù)應(yīng)用中最為廣泛的方法[4]。CVD技術(shù)需要較高的壓力和溫度(450～1200℃)，與PVD相比，幾乎所有類型的CVD技術(shù)都具有更高的沉積溫度和氣壓[5]。雖然20世紀(jì)80年代開發(fā)出了中溫化學(xué)氣相沉積(MTCVD)技術(shù)，但MTCVD技術(shù)的涂層沉積溫度仍高達(dá)700～900℃[6]。同時(shí)，CVD技術(shù)沉積涂層后產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體和殘留氣體具有一定毒性，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。以上缺點(diǎn)都限制了化學(xué)氣相沉積技術(shù)的應(yīng)用。CVD和PVD方法的特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 CVD和PVD特點(diǎn)對(duì)比

PVD物理氣相沉積是在真空條件下通過物理過程(如物質(zhì)的蒸發(fā)或表面原子在受到粒子轟擊時(shí)發(fā)生濺射等)，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)原子轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e涂層。該技術(shù)因工藝溫度低、對(duì)環(huán)境友好、涂層成分和涂層結(jié)構(gòu)可控而廣泛應(yīng)用于鉆頭、絲錐以及車削、銑削、焊接和其它工具表面涂層。

PVD技術(shù)主要包括蒸發(fā)鍍、濺射鍍和離子鍍?nèi)箢?，其中只有濺射鍍和離子鍍被廣泛應(yīng)用于刀具涂層制備。在應(yīng)用PVD技術(shù)制備刀具涂層的過程中，較低的沉積溫度(350～600℃，甚至低至150℃)提高了刀具的切削性能和使用壽命。如今，單一PVD技術(shù)已不能很好解決高速切削帶來的問題，采用復(fù)合PVD技術(shù)結(jié)合不同方法和適當(dāng)?shù)募庸ろ樞蚰軌颢@得具有優(yōu)質(zhì)綜合性能的刀具涂層。

2.1 磁控濺射技術(shù)

磁控濺射技術(shù)是20世紀(jì)70年代開始發(fā)展的新型濺射涂層制備技術(shù)，具有成膜速率快、沉積速率高、操作方便、膜層厚度均勻且致密等優(yōu)勢。

基本原理為:在真空環(huán)境下，向腔室內(nèi)通入一定量的惰性保護(hù)氣體(通常為氬氣)，利用輝光放電過程，形成具有極高能量的粒子對(duì)靶材表面進(jìn)行轟擊，通過轉(zhuǎn)化高能粒子能量和動(dòng)量，將靶材中的原子及其它粒子激發(fā)形成濺射離子，在電場作用下，這些濺射粒子沉積到基體材料表面，形成固態(tài)薄膜[7]。圖1為磁控濺射原理。

圖1 磁控濺射原理 [8]

磁控濺射基于電流主要分為直流磁控濺射沉積(DCMS)、射頻磁控濺射沉積和脈沖磁控濺射沉積技術(shù)(HiPIMS)等。相較于電弧離子鍍，其主要缺陷為靶材離化率較低(約10%)，在反應(yīng)濺射過程中容易發(fā)生“靶中毒”，出現(xiàn)生產(chǎn)效率較低和涂層力學(xué)性能不理想(硬度較低，膜基結(jié)合較差)的情況[9]。靶材的選擇也具有多樣性，金屬、合金和陶瓷材料等都可作為靶材。

非平衡磁控濺射技術(shù)誕生于 20 世紀(jì) 80 年代并迅速發(fā)展，在常規(guī)平衡磁控濺射基礎(chǔ)上通過改變磁場分布，在穩(wěn)定放電的同時(shí)極大提高了鍍膜區(qū)域等離子體的濃度，使鍍膜的精度和性能大大提高。非平衡磁控濺射的靶材離化率與等離子體密度均顯著提升，產(chǎn)生“離子鍍”效果，使磁控濺射技術(shù)能夠更好應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。

2.2 電弧離子鍍技術(shù)

離子鍍技術(shù)由 Mattox D.M.[10]于1963 年開發(fā)。離子鍍的工作原理是在特定的真空環(huán)境下，氣體或者電弧放電使靶材蒸發(fā)離化，蒸發(fā)物或反應(yīng)產(chǎn)物形成的氣相離子在轟擊作用下擴(kuò)散沉積到基體表面并形成固態(tài)薄膜。目前應(yīng)用的離子鍍技術(shù)主要包括:活性反應(yīng)蒸鍍離子鍍、空心陰極離子鍍、感應(yīng)加熱離子鍍和電弧離子鍍(AIP)等，應(yīng)用最成功的是電弧離子鍍[11]。圖2為陰極電弧離子鍍原理。

1.電子束源 2.氬氣 3.反應(yīng)物氣體 4.基體材料5.靶材 6.正極 7.電弧放電 8.真空泵

電弧離子鍍技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)包括靶材離化率高(一般為50%～90%)、致密性耐久度好和沉積效率高等[13]。同時(shí)，電弧離子鍍也存在一些技術(shù)缺陷，如電弧能量密度高，金屬靶材表面容易產(chǎn)生大顆粒熔滴，熔滴沉積至基體時(shí)會(huì)破壞涂層結(jié)構(gòu)平整性并導(dǎo)致膜基結(jié)合力下降，大顆粒熔滴還會(huì)污染薄膜；靶材需具有導(dǎo)電性，限制了靶材的選擇范圍，減少了可沉積涂層的種類；電弧離子鍍所沉積的涂層具有較大的殘余應(yīng)力[14]。

2.3 新型制備技術(shù)

PVD涂層的性能主要由其微觀結(jié)構(gòu)決定，而微觀結(jié)構(gòu)又取決于涂層的化學(xué)成分和相變化，涂層制備工藝在其中起主導(dǎo)作用，因此，改良制備工藝可以極大優(yōu)化涂層性能[15]。為了獲得高度電離的濺射材料，高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。HiPIMS是脈沖磁控濺射的一種，其峰值功率比傳統(tǒng)磁控濺射高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。高電離特性可以提供致密化和表面光滑性更顯著的微觀結(jié)構(gòu)，這使化合物涂層的機(jī)械性能、黏附程度、摩擦性能和熱穩(wěn)定性得到有效提升[16，17]。與傳統(tǒng)磁控濺射和離子鍍相比，較低的沉積速率和較差的放電可控性是HiPIMS進(jìn)一步工業(yè)發(fā)展的主要障礙。國外研究人員通過混合HiPIMS和DCMS(直流磁控濺射)來克服純HiPIMS技術(shù)的缺點(diǎn)，即由直流放電產(chǎn)生等離子體，在HiPIMS點(diǎn)火電壓開啟前的預(yù)電離階段保持較低密度且點(diǎn)火電壓更低，從而可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和無弧的沉積過程[18]。德國艾默康公司首次在工業(yè)涂層設(shè)備CC800上實(shí)現(xiàn)了混合HiPIMS/DCMS技術(shù)的商業(yè)化。圖3為CC800中混合HiPIMS/DCMS涂層系統(tǒng)。

圖3 HiPIMS/DCMS涂層系統(tǒng) [19]

當(dāng)電弧離子鍍和磁控濺射鍍均無法完美滿足需求時(shí)，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)發(fā)展出更優(yōu)越的涂層制備方法成為必然。20世紀(jì)90年代初，荷蘭Hauzer涂層公司開始嘗試結(jié)合兩種技術(shù)，開發(fā)Hauzer Techno Coating(HTC) 1000- 4 ABS(arc bond sputtering)涂層設(shè)備，并工業(yè)化生產(chǎn)TiN硬質(zhì)涂層[20]。航天部511所也成功設(shè)計(jì)出多弧磁控濺射復(fù)合鍍設(shè)備[21]。采用電弧離子轟擊基體材料，使用濺射沉積獲得優(yōu)良的膜基結(jié)合力和較低的殘余應(yīng)力，進(jìn)而提高涂層的高溫性能。通過電弧/濺射復(fù)合沉積技術(shù)，利用磁控濺射Si靶，分別與Ti、Cr、TiAl及CrAl等電弧靶進(jìn)行復(fù)合沉積，制備出具有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的超硬耐磨涂層，增強(qiáng)刀具的性能并提高其壽命。

在過去幾十年中，PVD技術(shù)發(fā)展迅速。刀具涂層的工況環(huán)境也更加復(fù)雜和極端，切削高溫合金時(shí)，刀具不僅需要承受極高的應(yīng)力載荷，還要面對(duì)1000℃左右的高溫環(huán)境，磨料磨損、黏結(jié)磨損、化學(xué)磨損、熱疲勞和氧化等都是導(dǎo)致涂層失效的主要因素。新的涂層制備方法應(yīng)向提高涂層質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和減低成本的目標(biāo)前進(jìn)?；诜瞧胶獯趴貫R射的HiPIMS技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，在商業(yè)化應(yīng)用中也取得不錯(cuò)進(jìn)展。其中S3p和 HI3 技術(shù)都是將磁控濺射技術(shù)、陰極電弧技術(shù)和 HiPIMS 技術(shù)結(jié)合在一起，都有著不錯(cuò)的優(yōu)化效果。雖然復(fù)合技術(shù)的應(yīng)用還在發(fā)展，但HiPIMS和其它磁控濺射或電弧蒸發(fā)工藝的結(jié)合給未來新型材料涂層的制備帶來更多可能。

3 切削高溫合金用涂層

隨著加工制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，具有優(yōu)良綜合性能的高溫合金需求急劇增大，但加工艱難是其面臨的主要問題。其加工難點(diǎn)主要有:①高溫合金硬度高，所需切削力大，且高溫合金中存在較多的化合物硬質(zhì)點(diǎn)，容易導(dǎo)致刀具崩刃；②高溫合金強(qiáng)度較高，切削過程中會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，高溫合金導(dǎo)熱系數(shù)僅為普通鋼的1/3，熱量無法及時(shí)散出，因此產(chǎn)生很高的切削溫度；③加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，切削后表面硬度可增至基體的1～2倍。

面對(duì)以上困難，硬質(zhì)合金刀具涂層逐步向著高硬度、良好化學(xué)穩(wěn)定性、高溫抗氧化性和優(yōu)良高溫?zé)岱€(wěn)定性發(fā)展。涂層成分和結(jié)構(gòu)也隨之更新，其元素組成開始多元化，涂層層數(shù)開始增加，微觀結(jié)構(gòu)由柱狀晶結(jié)構(gòu)趨于納米化。

3.1 TiN系涂層

20世紀(jì)80年代，TiN系涂層被成功研制，作為第一個(gè)被大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的刀具涂層，至今仍然被廣泛使用。TiN涂層具有高硬度(HV2000)、高韌性、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，同時(shí)熱膨脹系數(shù)與高速鋼相近，與高速鋼的膜基結(jié)合效果好，在一般的切削、鉆孔、銑削加工中有著很高的價(jià)值，制造工藝多為離子鍍[22]。但TiN涂層的抗氧化溫度低于550℃，在此溫度下會(huì)形成疏松的TiO2，使涂層性能急劇下降，嚴(yán)重影響了TiN涂層的廣泛應(yīng)用。

(1)TiAlN涂層

通過向TiN涂層中添加Al元素形成性能更優(yōu)的TiAlN涂層，與TiN相比，涂層硬度得到提升(HV2800)，摩擦系數(shù)更小，熱導(dǎo)率更低。尤其是高溫抗氧化性得到提升，其抗氧化溫度提升至800℃[23]。利用高溫下產(chǎn)生的Al2O3保護(hù)膜，可保護(hù)涂層不被繼續(xù)氧化[24]。當(dāng)0.5≤x≤0.6時(shí)，Ti1-xAlxN的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性最好，當(dāng)Al元素的原子數(shù)分?jǐn)?shù)大于70%時(shí)，出現(xiàn)的ω-AlN會(huì)導(dǎo)致涂層性能急劇下降[25]。圖4為TiAlN涂層表面SEM顯微形貌，可以看出涂層表面均勻致密且光滑。

在快速切削高溫合金等材料時(shí)，刀具溫度會(huì)升至1000℃以上，這時(shí)，TiAlN涂層的性能也不能很好滿足加工需求。為了獲得硬度更高、摩擦系數(shù)更小及高溫下更穩(wěn)定的涂層，國內(nèi)外研究人員通過向TiAlN中加入Si、Cr、V、Y、Zr、La和B等元素提升涂層性能，尤其是抗氧化性和熱穩(wěn)定性[27]。

圖4 TiAlN涂層表面SEM顯微形貌[26]

(2)TiAlSiN涂層

通常認(rèn)為，加入Si元素能提高TiAlN涂層的抗氧化性能和耐磨性能，Si元素可以促進(jìn)Al形成氧化膜保護(hù)涂層，延緩銳鈦礦型TiO2向金紅石型TiO2轉(zhuǎn)變，減少了疏松TiO2的形成，同時(shí)Si元素也能形成氧化層保護(hù)刀具。

張而耕等[28]利用多弧離子鍍技術(shù)制備了TiAlN和TiAlSiN涂層，進(jìn)行氧化對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，800℃時(shí)TiAlN涂層幾乎完全被破環(huán)，生成TiO2和Al2O3且基體元素也發(fā)生氧化；TiAlSiN涂層在800℃時(shí)表面保存完整，雖然存在TiO2、Al2O3和SiO2三種氧化物，但并無基體元素氧化物，說明涂層并沒有被完全破壞，并且繼續(xù)升高溫度，TiAlSiN涂層對(duì)基體仍然有保護(hù)作用。王桂陽[29]通過磁控濺射制備了TiAlN和TiAlSiN涂層，對(duì)其性能進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，薄膜硬度由3700HV增長到4300HV，Si原子起到了強(qiáng)化晶界和細(xì)化晶粒的作用。涂層抗氧化溫度也增至900℃，在Al2O3保護(hù)的基礎(chǔ)上，Si原子在晶界形成的Si3N4阻止了氧化進(jìn)一步加深。劉辭海[30]制備了不同Si元素含量的TiAlSiN涂層，并與TiAlN涂層進(jìn)行了切削高溫合金性能對(duì)比，圖5為不同刀具涂層切削高溫合金壽命曲線。從圖中可看出，TiAlSiN涂層刀具的耐磨性及使用壽命明顯優(yōu)于無涂層刀具和TiAlN涂層刀具，其中Ti0.45Al0.45Si0.10N涂層刀具的切削性能及壽命最為優(yōu)良。

Mori T.等[31]研究表明，與TiAlN相比，通過電弧離子鍍形成的TiAlSiN顯現(xiàn)出了更優(yōu)的抗氧化性和硬度，當(dāng)Si元素的原子數(shù)分?jǐn)?shù)為4.78%時(shí)，膜層硬度提高到35GPa，1000℃在空氣中退火2h后，TiAlSiN薄膜仍然保持完整形貌，對(duì)基體刀具起到良好的保護(hù)作用。Chen Li[32]等在研究Si元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)為8%的TiAlSiN涂層時(shí)發(fā)現(xiàn)，Si元素提高了涂層的抗氧化能力，TiAlN涂層在830℃時(shí)已經(jīng)被完全破壞，在添加Si元素后溫度升至920℃時(shí)涂層才出現(xiàn)明顯氧化現(xiàn)象。分析認(rèn)為，Si元素促進(jìn)Al2O3形成的同時(shí)，抑制了銳鈦礦TiO2向金紅石TiO2轉(zhuǎn)變，這是涂層耐氧化溫度提高的主要原因。

圖5 不同刀具涂層切削高溫合金壽命曲線圖 [30]

雖然添加Si元素使TiAlN涂層的硬度、耐磨性以及熱穩(wěn)定性得到提升，并且其綜合切削性能得到大幅提升，但TiAlSiN涂層也存在著較大殘余應(yīng)力且膜基結(jié)合力較差的缺點(diǎn)。通過優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)可以很好地解決上述問題，例如采用多梯度設(shè)計(jì)，利用過渡涂層提高膜基結(jié)合力，或者添加其它元素形成多元多層復(fù)合涂層。

(3)TiAlCrN和TiAlZrN

向TiAlN中添加Cr元素也能在保證涂層高硬度的同時(shí)提高其抗氧化性。王賽玉等[33]研究發(fā)現(xiàn)，TiAlCrN涂層在1000℃時(shí)的氧化產(chǎn)物中含有少量的 Cr2O2.4，說明Cr元素在氧向涂層內(nèi)部擴(kuò)散中具有明顯阻礙作用，體現(xiàn)了TiAlCrN 涂層優(yōu)異的高溫抗氧化能力。1000℃氧化后，氧化層內(nèi)部會(huì)生成富含Al2O3和Cr氧化物的氧化層，提高了涂層中貧Al區(qū)的抗氧化性能，并與Al2O3形成(Al，Cr)2O3，阻止氧向內(nèi)擴(kuò)散，使添加Cr元素后的TiAlN涂層抗氧化能力得到提高。Fernandes F.等[34]通過使用WC鉆頭鉆孔來對(duì)比TiAlN涂層和TiAlCrN涂層的切削性能，在100m/min的測試速度下，TiAlCrN涂層的切削表現(xiàn)明顯優(yōu)于TiAlN涂層。主要原因在于，高溫滑動(dòng)摩擦過程中形成Cr-O摩擦層的潤滑性能優(yōu)于TiAlN涂層形成的Al、Ti氧化物，導(dǎo)致含Cr涂層的摩擦性能更加優(yōu)良。Xu Y.X.等[35]通過直流磁控濺射制備出了TiAlN涂層和不同Cr含量的TiAlCrN涂層，對(duì)比高溫抗氧化性能發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度為850℃時(shí)，不含Cr元素的TiAlN涂層已經(jīng)完全氧化形成多孔氧化皮，而TiAlCrN涂層因?yàn)樾纬闪酥旅?、黏附、具有保護(hù)性能的氧化層，所以都能承受850℃高溫氧化20h，氧化層中Al和Cr元素均勻分布，厚度為0.7μm；當(dāng)溫度升至900℃時(shí)，不同含Cr元素涂層的抗氧化性能有著顯著的差異，含Cr元素較低的涂層Ti0.35Al0.42Cr0.23N和Ti0.29Al0.36Cr0.35N已經(jīng)完全被氧化，而含Cr元素高的Ti0.26Al0.33Cr0.41N和Ti0.24Al0.29Cr0.47N能夠承受900℃高溫氧化20h。Sui Xudong[36]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，TiAlCrN在600℃和800℃時(shí)都無明顯氧化，當(dāng)氧化溫度升至1000℃時(shí)，低Cr涂層嚴(yán)重氧化而高Cr涂層仍保持優(yōu)異的抗氧化性。對(duì)低Cr涂層Ti0.32Al0.38Cr0.30N而言，致密富鋁氧化層變?yōu)槭杷刹贿B續(xù)的富鈦鋁氧化層是其抗氧化性差的主要原因。然而，Ti0.17Al0.19Cr0.64N因其致密且連續(xù)的富鉻氧化層可以很好限制Ti原子向表面擴(kuò)散，同時(shí)限制O原子向內(nèi)部擴(kuò)散。圖6為Ti0.32Al0.38Cr0.30N和Ti0.17Al0.19Cr0.64N在1000℃氧化后的橫截面形貌。

(a)Ti0.32Al0.38Cr0.30N

(b)Ti0.17Al0.19Cr0.64N

與Cr元素相同，Zr元素添加到TiAlN涂層中也可以顯著提高涂層的硬度、熱穩(wěn)定性和抗氧化能力。TiAlZrN硬度通常能超過40GPa，并且相較于Cr、Y、V和Nb元素更加便宜，但是在700～800℃時(shí)，TiAlZrN涂層的高溫性能卻會(huì)變差，反而溫度升至850℃以上時(shí)，其高溫性能會(huì)進(jìn)一步大幅提升，優(yōu)于TiAlCrN涂層。

Chen Li等[37]研究了添加ZrN對(duì)TiAlN涂層結(jié)構(gòu)和抗氧化性的影響，發(fā)現(xiàn)在700℃和800℃時(shí)，TiAlZrN涂層的抗氧化性能變差，這是因?yàn)閆r元素對(duì)O元素的親和力較高導(dǎo)致抗氧化性降低，且ω-AlN的形成以及沉積態(tài)TiAlZrN涂層晶粒尺寸過小促進(jìn)了氧的擴(kuò)散；在850℃以上時(shí)，含Zr元素涂層抗氧化性卻得到良好改善，850℃和900℃氧化10h后的TiAlN涂層已經(jīng)完全氧化，而TiAlZrN顯現(xiàn)出了更好的抗氧化性，Zr元素延緩銳鈦礦型TiO2向金紅石型鈦酸鹽轉(zhuǎn)變，并且促進(jìn)了致密Al2O3的生成，這些因素過度補(bǔ)償了Zr元素對(duì)O元素的高親和力以及對(duì)ω-AlN的影響，從而提高了涂層的高溫性能。Braic V.等[38]采用陰極電弧技術(shù)在高速鋼鉆頭上沉積了雙層的TiAlN/TiAlZrN涂層，以提高刀具的干切削能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單層TiAlN和TiAlZrN涂層的鉆頭壽命提高1.5～1.8倍，且TiAlZrN涂層壽命更長，而TiAlN/TiAlZr復(fù)合涂層鉆頭壽命能提高2.1～2.3倍。劉慧君等[39]通過陰極弧蒸發(fā)制備了Ti0.55Al0.45N、Ti0.45Al0.48Zr0.07N和Ti0.45Al0.49Cr0.06N，對(duì)比研究了摻雜Zr元素和Cr元素對(duì)TiAlN涂層結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和高溫性能的影響。研究結(jié)果表明，Ti0.55Al0.45N，Ti0.45Al0.48Zr0.07N和Ti0.45Al0.49Cr0.06N涂層的硬度分別為(28.6±0.9)GPa，(31.9±0.9)GPa和(31.0±0.9)GPa，Ti0.45Al0.48Zr0.07N和Ti0.45Al0.49Cr0.06N的斷裂韌性明顯優(yōu)于Ti0.55Al0.45N。Ar氣保護(hù)氣高溫退火實(shí)驗(yàn)則表明，Zr元素的加入使ω-AlN形成溫度由1100℃上升至1200℃，而Cr元素的加入使ω-AlN形成溫度降低至1000℃，說明Zr元素提高了TiAlN涂層的熱穩(wěn)定性，而Cr元素卻降低了熱穩(wěn)定性能，其原因是加入Cr元素促進(jìn)了調(diào)幅分解生成的亞穩(wěn)相向其穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變。在后續(xù)的高溫氧化實(shí)驗(yàn)中，800℃氧化30h后，Ti0.45Al0.48Zr0.07N的抗氧化性因?yàn)門iZrO4的形成而降低，氧化膜厚度約為1.26μm，較Ti0.55Al0.45N(1.01μm)和Ti0.45Al0.49Cr0.06N(0.33μm)厚；在850℃氧化30h后，Ti0.45Al0.48Zr0.07N涂層在其余兩種涂層均完全氧化的狀況下仍保持完整的涂層形貌，并表現(xiàn)出更好的抗氧化性能。圖7為Ti0.55Al0.45N，Ti0.45Al0.48Zr0.07N和Ti0.45Al0.49Cr0.06N涂層在850℃氧化30h后的橫斷面形貌。

圖7 涂層在850℃氧化30h后的橫斷面形貌 [39]

3.2 稀土元素的影響

稀土元素在傳統(tǒng)表面改性中起重要作用，能有效提高表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、膜基結(jié)合力以及高溫性能。因此在制備過程中，硬質(zhì)合金刀具涂層可以以固態(tài)稀土靶材的形式引入稀土元素。目前，國內(nèi)外在刀具涂層中主要引入Y元素和Ce元素，原因是二者原子半徑幾乎相等，性質(zhì)基本相同。

劉大勇[40]和王寶健[41]通過添加稀土元素Ce提高了TiAlN涂層性能，膜基結(jié)合力提高5～10N，磨損試驗(yàn)中磨痕寬度相應(yīng)減少，耐磨性提高，高溫試驗(yàn)則表明稀土元素Ce明顯提升了涂層的抗氧化性，Ce元素優(yōu)先與氧結(jié)合形成致密氧化物，阻礙氧擴(kuò)散；同時(shí)Ce元素固溶于Al2O3中，提高了其附著能力，因此切削過程中含Ce元素涂層的壽命提升20%。Qia Z.B.等[42]采用復(fù)合靶濺射制備ZrYN涂層，其原因是Y元素與作為活性元素的O元素的高親和力可以有效提高涂層的抗氧化性。S.Domínguez-Meister等[43]通過物理氣相沉積法沉積的Cr1-xAlxN涂層在高溫環(huán)境下會(huì)生成致密且黏附的Al和Cr2O的混合氧化皮，能夠極好地抑制O元素向涂層內(nèi)部擴(kuò)散，即便Al元素含量較低時(shí)，也能在900℃的溫度下提供優(yōu)良的抗氧化性。同時(shí)，向其中引入Y元素能夠大幅提高在極限溫度以上的耐熱性和抗氧化性，使分解開始溫度提高至1100℃。Liu Shiyu等[44]研究發(fā)現(xiàn)，在800℃時(shí)，CrAlYN涂層的氧化層主要由Cr2O3組成，且當(dāng)Y元素的摻雜水平為0.5%時(shí)，具有最好的抗氧化性；在1100℃時(shí)，氧化層為Cr2O3和Al2O3競爭生長，當(dāng)Y元素的摻雜水平為2%時(shí)，具有最好的抗氧化性；但隨著Y元素含量增加，涂層的硬度開始降低，這與氮化鋁和氮化鉻界面形成的半非結(jié)晶層有關(guān)。

3.3 多層涂層

雖然多元涂層能夠明顯提升刀具的切削性能，但是多元涂層與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合力往往很低，很容易導(dǎo)致涂層過早失效，設(shè)置過渡層可緩沖應(yīng)力和阻斷應(yīng)力。多元多層結(jié)構(gòu)不僅可以解決膜基結(jié)合力低的問題，并且能結(jié)合不同涂層的特點(diǎn)，使涂層的硬度、韌性、抗高溫性能和耐磨性均優(yōu)于單層涂層。

鐘星[45]制備的AlCrN/AlCrSi(Y)N多層涂層經(jīng)過1100 °C恒溫氧化2h后發(fā)現(xiàn)，其多層納米涂層的抗氧化性能均優(yōu)于單層的AlCrN、AlCrSiN和AlCrYN涂層。肖白軍[46]利用電弧離子鍍的方法制備了AlCrN/AlTiSiN多層涂層，在鈦合金切削實(shí)驗(yàn)中，相比AlCrN和AlTiSiN涂層刀具，多層涂層刀具切削力和切削溫度最小，表面加工質(zhì)量最好，并且使用壽命提高兩倍以上，因此多層結(jié)構(gòu)明顯提高了涂層的熱穩(wěn)定性和抗氧化性，AlCrN/AlTiSiN多層涂層在1100℃才析出弱化相ω-AlN，相比單層涂層提高了200℃。Li Guodong等[47]為了提高硬質(zhì)合金刀具TiAlSiN涂層在切削加工Inconel718鎳基高溫合金時(shí)的性能，引入Ti元素作為中間層制備多層涂層(TiAlSiN為8層，每層厚度270nm，Ti為7層，相互交替，表面為TiAlSiN)。如圖8所示，Ti層的引入顯著改善了TiAlSiN涂層的高脆性，改善程度隨Ti層厚度變化而變化，當(dāng)Ti層厚度為25nm時(shí)韌性最佳，切削實(shí)驗(yàn)也表明，Ti層的引入使涂層表現(xiàn)出更好的切削性能，多層結(jié)構(gòu)明顯提升了涂層韌性，減輕了Inconel718合金加工時(shí)析出硬質(zhì)相帶來連續(xù)沖擊載荷的影響，提高了涂層壽命。

圖8 TiAlSiN/Ti多層涂層結(jié)構(gòu)[48]

為了提高TiAlN涂層在高溫快速切削時(shí)的性能，Zhang Quan等[48]交替沉積了AlTiN/AlCrSiN多層膜，AlTiN/AlCrSiN多層涂層呈面心立方結(jié)構(gòu)，具有細(xì)小柱狀晶。相比TiAlN涂層在800℃的劇烈氧化，AlTiN/AlCrSiN多層涂層在800℃幾乎沒有氧化層，當(dāng)加熱至1000℃時(shí)才形成0.3μm致密氧化膜，并且在高速干式切削中，AlTiN/AlCrSiN多層涂層使用壽命也有所提高。

4 結(jié)語

本文從涂層制備方法和涂層種類兩個(gè)方面歸納總結(jié)切削高溫合金用涂層，分析總結(jié)了制備方法和涂層性能在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。在切削高溫合金的復(fù)雜工況中，高硬度與高耐磨性僅是刀具涂層能正常使用的基礎(chǔ)，而高溫抗氧化性與熱穩(wěn)定性才是刀具涂層的切削效率和使用壽命的決定性因素。目前，可以從以下幾點(diǎn)出發(fā)來提高涂層的熱穩(wěn)性。

(1)摻雜與O元素親和力高的元素(例如Si、Cr、Zr和Y元素等)，生成致密氧化膜保護(hù)基體的同時(shí)，抑制了ω-AlN相和TiO2等疏松氧化相的形成。

(2)引入過渡涂層，制備多層梯度涂層，并使單層涂層厚度趨于納米化，汲取各單層涂層的優(yōu)點(diǎn)，在提升膜基結(jié)合力的同時(shí)提升涂層的高溫性能。

(3)改進(jìn)涂層制備技術(shù)，結(jié)合各種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)新型復(fù)合沉積技術(shù)，制備出具有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的超硬耐高溫涂層。

總體來說，切削高溫合金用涂層的設(shè)計(jì)正朝著多元多層的方向發(fā)展，且各單一膜層的厚度也趨于納米化。同時(shí)，結(jié)合制備技術(shù)來提升涂層性能也是研究熱點(diǎn)之一。此外，突破現(xiàn)有理論框架，開發(fā)新型超硬耐高溫涂層也是未來研究的熱門方向。