“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(hù)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(biāo)和生產(chǎn)成本方面相對(duì)滯后，嚴(yán)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)亟待突破——如何實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和韌性的協(xié)同提升？如何在惡劣的服役條件下實(shí)現(xiàn)高性能涂層的關(guān)鍵制備技術(shù)？如何實(shí)現(xiàn)涂層和工具基材之間高的結(jié)合強(qiáng)度？
       上海理工大學(xué)材料學(xué)院的李偉教授團(tuán)隊(duì)，在國家科技支撐計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)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(xiàng)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(jìn)步二等獎(jiǎng)，項(xiàng)目獲授權(quán)發(fā)明專利32項(xiàng)，實(shí)用新型專利9項(xiàng)，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(dòng)機(jī)、工程機(jī)械、軌道交通、冶金、發(fā)電能源、通用機(jī)械等眾多領(lǐng)域。涂層工具獲得了使用單位的高度評(píng)價(jià)，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(jì)和社會(huì)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(dá)到100GPa。而通常，硬度達(dá)到30-40GPa的可成為“硬級(jí)”，超過40GPa的可稱為“超硬級(jí)”。
可是，如果一味追求“硬度”，往往會(huì)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(shí)，工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)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(shí)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(qiáng)韌化是一對(duì)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(tuán)隊(duì)經(jīng)過數(shù)千次的試驗(yàn)后，提出了納米復(fù)合涂層的共格界面強(qiáng)化機(jī)制。簡(jiǎn)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(jìn)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(duì)納米復(fù)合涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割，使納米復(fù)合涂層中晶粒進(jìn)一步細(xì)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(duì)微裂紋的擴(kuò)散起到阻礙作用，從而對(duì)納米復(fù)合涂層起到增韌效果。這一技術(shù)，實(shí)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(dá)到43.2GPa、同時(shí)保護(hù)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(tuán)隊(duì)基于界面層多相化增韌機(jī)制設(shè)計(jì)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(zhǎng)的前提下，進(jìn)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(diǎn)：一個(gè)是微結(jié)構(gòu)條件，另一個(gè)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(duì)納米復(fù)合涂層各元素成分進(jìn)行精確控制，尤其對(duì)界面相進(jìn)行元素?fù)诫s時(shí)。
       經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)推敲后，李偉教授團(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)工具起到保護(hù)作用的關(guān)鍵前提是——涂層與基材具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。否則，即使涂層的性能再高，也會(huì)因?yàn)檫^早脫落而起不到保護(hù)作用。尤其是隨著工具服役條件的愈發(fā)惡劣對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)度是涂層有效發(fā)揮作用的先決條件。為此，針對(duì)工具常用的硬質(zhì)合金、高速鋼等基材，李偉團(tuán)隊(duì)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(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)度超過60牛頓。

納米復(fù)合涂層刀具

       實(shí)際應(yīng)用的效果已經(jīng)顯現(xiàn)。
       在航空航天領(lǐng)域，針對(duì)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(dá)2000余孔，超過進(jìn)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(dá)到1000余孔，也成功替代進(jìn)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(jìn)入長(zhǎng)春一汽、山東時(shí)風(fēng)集團(tuán)等汽車加工領(lǐng)域。在工程機(jī)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(jī)回轉(zhuǎn)支撐65Mn材料加工方面，成功替代進(jìn)口，批量供貨。