国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

面向切削刀具的物理氣相沉積涂層回顧與展望

2023-11-14 07:56:06王啟民許雨翔
關(guān)鍵詞:靶材磁控濺射刀具

王啟民,彭 濱,許雨翔

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006;2.高性能工具全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510006)

近三十年來,隨著機(jī)床結(jié)構(gòu)剛性、數(shù)控技術(shù)、刀具設(shè)計(jì)以及表面涂層技術(shù)的不斷發(fā)展,針對(duì)難加工材料高速切削加工的技術(shù)優(yōu)勢(shì)日益凸顯。切削速度的提升直接帶來加工效率的大幅增加,且切削過程中大量切削熱被高速排出的切屑帶走,有利于減少工件的內(nèi)應(yīng)力與熱變形;高切削速度使刀具激振頻率與機(jī)床固有低階頻率錯(cuò)開,可以有效避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生,具有保證加工精度與提升表面質(zhì)量等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但在實(shí)際切削加工過程中,存在切削力大、切削溫度高、刀具磨損快等問題,高速高效切削加工刀具的性能提高很大程度上依賴于刀具涂層的發(fā)展。

為滿足現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)高速高效高精度切削加工的需求,世界各國對(duì)刀具涂層技術(shù)發(fā)展日益重視;我國刀具涂層技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展,目前正處于關(guān)鍵時(shí)期,即國內(nèi)刀具涂層裝備和技術(shù)在結(jié)構(gòu)外形和部分功能上已經(jīng)基本趕上國外技術(shù),但缺乏對(duì)關(guān)鍵核心問題和技術(shù)的理解,導(dǎo)致與國外先進(jìn)刀具涂層技術(shù)始終保持一定差距。本文將對(duì)用于高速高效切削刀具的物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)涂層和技術(shù)進(jìn)行綜述,對(duì)關(guān)鍵核心科學(xué)和技術(shù)問題進(jìn)行闡述和總結(jié)。本文列舉了氮化物、硼化物和氧化物等具有代表性的PVD硬質(zhì)涂層的研究和應(yīng)用近況,展望了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界未來的關(guān)注重點(diǎn)和發(fā)展方向,以使其工藝和涂層更符合高速高效切削涂層刀具發(fā)展的要求。

1 金屬切削對(duì)刀具涂層的要求

如圖1,刀具在切削過程中刀尖發(fā)生強(qiáng)烈變形和擠壓摩擦,切屑的形成過程涉及剪切區(qū)域的塑性形變,在刀具上產(chǎn)生切削熱和接觸應(yīng)力,刀具受到磨粒和黏著磨損,前后刀面依次出現(xiàn)切入?yún)^(qū)、黏附區(qū)和滑動(dòng)摩擦區(qū),被加工材料黏附冷焊和摩擦磨損導(dǎo)致刀刃磨損失效[3-4]。刀具涂層切削過程中被加工材料在涂層前后刀面上黏附、磨損、氧化、破碎,導(dǎo)致刃口涂層的快速失效(圖2);在高速精密切削中,圓弧刀尖所占厚度比例加大,高壓變形和擠壓摩擦加劇,斷刃和涂層剝落嚴(yán)重;滑動(dòng)摩擦速度大幅加快,溫度升高,導(dǎo)致前后刀面快速磨損;難加工材料會(huì)進(jìn)一步加速刀具磨損[5-7]。

圖1 實(shí)際刀具受力及摩擦示意圖Fig.1 Schematic diagram of actual tool forces and friction

圖2 刀具涂層應(yīng)用過程中黏結(jié)、磨損和刃口破碎圖片;(a) 二次電子SEM圖片,(b) 背散射SEM圖片,(c) 截面背散射SEM圖片[5]Fig.2 Images of bonding, wear, and edge fracture during tool coating application process, (a) Secondary electron SEM image, (b) Backscattered SEM image, and (c) Crosssection backscattered SEM Image[5]

硬質(zhì)涂層的任務(wù)是為切削刀具基體提供磨損保護(hù)和熱防護(hù),對(duì)涂層的具體要求取決于切削工藝、參數(shù)和被加工材料的選擇。在連續(xù)切削過程中(如車削),刀-屑(刀刃-切屑)、刀-工(刀刃-工件)接觸區(qū)域通常會(huì)達(dá)到較高溫度,具有低熱導(dǎo)率的厚涂層(5~20 μm)被認(rèn)為有利于車削應(yīng)用,它們?yōu)榈毒呋w提供熱屏障,讓產(chǎn)生的熱量被轉(zhuǎn)移到切屑中,從而降低刀具刃口的熱負(fù)荷,阻止或延緩刀具刃口的塑性變形[8];但對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)低的工件材料,接觸熱通過切屑轉(zhuǎn)移出去的能力較弱,造成接觸表面溫度高和刀具表面很大的熱梯度,這就需要導(dǎo)熱系數(shù)較高的涂層來從接觸區(qū)域散去熱量[9],在切削難加工材料時(shí),垂直表面導(dǎo)熱率低、平行表面導(dǎo)熱率高的刀具涂層是較優(yōu)設(shè)計(jì)。在斷續(xù)切削中,例如銑削工藝,熱量不會(huì)連續(xù)產(chǎn)生,因此接觸面溫度低于連續(xù)切削,但循環(huán)的應(yīng)力和熱載荷會(huì)導(dǎo)致切削刃產(chǎn)生疲勞破損[9],通常具有殘余壓應(yīng)力的薄涂層(3~5 μm)適合此類應(yīng)用,如PVD涂層。在鈦合金等有色合金的切削加工中,被加工材料黏附于刀具表面,是刀具涂層失效的主要原因之一。

2 刀具涂層材料

硬質(zhì)涂層性能與其化學(xué)鍵成分有關(guān)(如圖3[10]),分共價(jià)鍵為主的超硬涂層(金剛石、立方氮化硼等)、離子鍵為主的惰性涂層(氧化鋁、氧化鉻等)、金屬鍵和共價(jià)鍵混合的硬韌涂層(氮化鈦、硼化鈦等),化學(xué)鍵的性質(zhì)決定涂層力學(xué)、化學(xué)性能,影響涂層與基體的結(jié)合力;涂層材料以單層或者多層、納米多層/納米復(fù)合結(jié)構(gòu)組成刀具涂層,在實(shí)際刀具涂層設(shè)計(jì)中,為改善與基體的界面結(jié)合及調(diào)控涂層的元素?cái)U(kuò)散、應(yīng)力分布、承載能力和表面功能性等,會(huì)考慮多層的涂層設(shè)計(jì)。

圖3 刀具涂層材料化學(xué)鍵和常見組織結(jié)構(gòu)示意圖[10]Fig.3 Schematic diagram of chemical bonds and common microstructures in tool coating materials [10]

圖4總結(jié)了刀具涂層材料的發(fā)展歷程,刀具涂層技術(shù)分為化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)和物理氣相沉積(PVD)。最早商用的刀具涂層為CVD-TiC涂層[11],隨后TiN、TiCN和Al2O3涂層也相繼投放市場(chǎng)[12];上世紀(jì)80年代PVD涂層(TiN、TiC)首次在高速鋼鉆頭上成功應(yīng)用[13];隨著切削速度的提升和難加工材料的使用,刀具服役條件日益嚴(yán)苛,TiN、TiC涂層的高溫性能已不能滿足加工需要,1986年,Wolf-Dieter等[14]在TiN涂層中添加Al元素制備了Ti0.5Al0.5N涂層,涂層的起始氧化溫度從TiN的500~550 ℃提升至700~800 ℃,鉆削不銹鋼時(shí)壽命較TiN增加了至少兩倍,自此PVD涂層引起廣泛關(guān)注,研發(fā)呈井噴趨勢(shì)。相比于CVD,PVD具有顯著的優(yōu)點(diǎn):涂層種類多,沉積溫度較低,適用于大多數(shù)刀具基體材料,目前已發(fā)展出了多種元素、多種結(jié)構(gòu)(多層、納米多層、納米復(fù)合)、多材料(氮化物、硼化物、氧化物)的PVD刀具涂層。下面將以基于PVD技術(shù)制備的氮化物、硼化物和氧化物材料分類總結(jié)和闡述刀具涂層的設(shè)計(jì)理念和研究進(jìn)展。

圖4 刀具涂層的發(fā)展歷程Fig.4 Development history of tool coatings

2.1 氮化物刀具涂層

氮化物刀具涂層材料經(jīng)歷二元(TiN、CrN)→多元(TiAlN、CrAlN等)→納米多層(如TiAlN/TiN)→納米復(fù)合結(jié)構(gòu)(TiSiN、TiAlSiN等)的發(fā)展[15]。在刀具涂層的發(fā)展中,多元合金化、納米多層和納米復(fù)合是涂層強(qiáng)韌化,提升高溫性能、摩擦學(xué)性能的重要手段。

多元刀具涂層的典型代表是TiAlN涂層,Al的引入使涂層的硬度和抗氧化性顯著提升,并具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性,目前TiAlN涂層已廣泛用于切削刀具的表面防護(hù),常見的涂層成分有:Ti0.5Al0.5N、Ti0.4Al0.6N和Ti0.33Al0.67N。CrAlN涂層作為多元涂層的另一典型代表,更適用于對(duì)韌性和抗氧化性要求較高的場(chǎng)景,其Al的原子分?jǐn)?shù)可達(dá)到70%依然保持單相面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)[16]。目前研究者在TiAlN和CrAlN涂層的基礎(chǔ)上加入V、Nb、Ta、Mo、W等元素開發(fā)了更多種類的多元涂層,例如,在TiAlN中引入Cr元素既能提高涂層的抗氧化性能和摩擦性能,又能減少刀具的黏附和磨損[17];V元素可在摩擦過程中生成具有潤滑作用V2O5相,有利于降低涂層的摩擦系數(shù),提高耐磨性[18];添加Ta元素可提高涂層的高溫硬度和熱穩(wěn)定性[19];多種元素共同添加可以協(xié)同提高涂層的高溫穩(wěn)定性、抗氧化性和高溫摩擦性能等。Lembke等[20]研究表明Cr和Y元素共同添加能明顯改善TiAlN涂層的高速干式切削性能。Aninat等[21]研究發(fā)現(xiàn)TiAlTaYN涂層在氧化過程中能夠形成獨(dú)特的混合氧化物結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫抗氧化性。筆者通過Cr和Ta的共合金化添加成功實(shí)現(xiàn)了TiAlN涂層熱穩(wěn)定性和抗氧化性的協(xié)同提升[22]。

納米多層結(jié)構(gòu)基于1970年Koehler提出的材料增強(qiáng)理論,1978年在Al/Cu和Al/Ag等納米多層體系得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[23]。1987年Helmersson等[24]在單晶MgO基體上構(gòu)建的TiN/VN納米多層涂層表現(xiàn)出5 560 kg/mm2的硬度,比傳統(tǒng)單層TiN和VN涂層高出一倍;上世紀(jì)90年代中期起納米多層涂層已在切削刀具成功應(yīng)用[25]。Li等[26]通過交替沉積TiAlN和CrAlN制備的TiAlN/CrAlN納米多層涂層,硬度高達(dá)~38.2 GPa,且具良好的熱穩(wěn)定性和抗氧化性,在車削和銑削加工中表現(xiàn)明顯優(yōu)于單層涂層。而Xu等[27]通過減少TiAlN/ZrN納米多層涂層的調(diào)制比時(shí),實(shí)現(xiàn)層間界面結(jié)構(gòu)從非共格到共格的轉(zhuǎn)變,獲得硬度提升。一般而言,納米多層涂層由兩種或者兩種以上具有不同成分或結(jié)構(gòu)的單層涂層交替沉積而成,納米多層涂層存在一個(gè)最優(yōu)的調(diào)制周期和調(diào)制比使涂層的力學(xué)性能達(dá)到最大值,如AlTiN/AlCrSiN涂層的調(diào)制周期為8.3 nm時(shí)具有最優(yōu)的硬度和耐磨性[28];通過改變調(diào)制層的組分、調(diào)制周期和調(diào)制比,可靈活調(diào)控涂層的結(jié)構(gòu)和性能以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

MeSiN(Me=Ti、Cr、TiAl、CrAl等)涂層基于熱力學(xué)相分離產(chǎn)生納米尺寸的晶粒被非晶相包裹的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)[29](圖5),硬度顯著高于傳統(tǒng)涂層且高溫性能優(yōu)異,Veprek報(bào)道出80~105 GPa的超高硬度,盡管后人無人能夠重復(fù)如此高硬度,但納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層硬度達(dá)到40 GPa已經(jīng)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)涂層,特別在高溫下可以保持高硬度,是一類很有發(fā)展前途的刀具涂層材料[30]。學(xué)者們采用多種工藝制備MeSiN涂層,獲得了性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)涂層的納米復(fù)合涂層,部分已在刀具涂層產(chǎn)業(yè)獲得應(yīng)用[31-34]。

圖5 MeSiN納米復(fù)合涂層微觀組織結(jié)構(gòu)示意圖[29]Fig.5 Schematic diagram of the microstructure of MeSiN nanocomposite coatings [29]

固溶強(qiáng)化和調(diào)幅分解產(chǎn)生的共格界面強(qiáng)化是多元氮化物涂層常用的增強(qiáng)方式[22,35],在MeSiN涂層中添加其他元素可進(jìn)一步提高涂層硬度和性能,Chen[36]、Fu[37]等在TiSiN和CrSiN中加入Al和Mo金屬元素,獲得35.5~42.4 GPa高硬度的納米復(fù)合涂層;Wu[38]、Gu[39]在TiAlSiN基礎(chǔ)上加入非金屬元素B和C,也獲得了明顯的硬度增強(qiáng)。但總體而言,納米晶內(nèi)固溶強(qiáng)化機(jī)理尚不清楚,納米晶析出結(jié)構(gòu)和共格強(qiáng)化也缺乏研究。納米孿晶也是一種可能的增強(qiáng)方式。雖然氮化物涂層因?qū)渝e(cuò)能較高不易產(chǎn)生孿晶,但Xu[40]和Chen[41]通過等離子體參數(shù)調(diào)控制備出納米孿晶結(jié)構(gòu)的TiN涂層和CrN/AlN多層涂層,獲得硬度增強(qiáng)。

2.2 硼化物刀具涂層

過渡金屬硼化物和過渡金屬硼氮化物是極具潛力的刀具涂層,并被證實(shí)在鈦合金、鋁合金以及碳纖維增強(qiáng)塑料的加工場(chǎng)合中具有優(yōu)異的切削性能,然而相對(duì)于過渡金屬氮化物和碳化物在理論和實(shí)驗(yàn)上較多的研究,硼(氮)化物作為刀具涂層研究明顯較少,限制硼(氮)化物刀具涂層廣泛應(yīng)用的最大難題是其力學(xué)性能不穩(wěn)定、脆性大、低基體結(jié)合力和較低的氧化起始溫度。硼化物M-B為本征硬質(zhì)材料,其高硬度來源于B-B共價(jià)鍵和共價(jià)鍵占優(yōu)的M-B混合化學(xué)鍵,M和B原子軌道的雜化作用影響M-B材料的本征硬度、脆性等力學(xué)性能及界面潤濕性能,沉積等離子體影響的B元素含量和多元固溶摻雜可改變化學(xué)鍵特性,進(jìn)而調(diào)控涂層性能[9,42-43];磁控濺射的M-B涂層中,過量B偏析于晶界形成團(tuán)簇柱狀納米復(fù)合結(jié)構(gòu)[44-45],M-B涂層中引入N組元可生成MB、MN納米晶,硬質(zhì)h-BN或軟質(zhì)a-BN相,金屬元素(Al、Cr、Ta等)偏析于晶界也會(huì)形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu),涂層硬度、韌性、殘余應(yīng)力和抗氧化性受顯微組織結(jié)構(gòu)影響[46-48]。

硼化物涂層力學(xué)性能不穩(wěn)定的原因在于B元素的沉積產(chǎn)額和能量分布不易控制,B原子較輕,濺射粒子間的質(zhì)量差異、逸散角度、離子能量分布等影響涂層性能,但相關(guān)機(jī)理尚不清晰。Neidhardt等[45]揭示濺射沉積TiBx時(shí)B+優(yōu)先沿靶材法線方向運(yùn)動(dòng),易出現(xiàn)過化學(xué)計(jì)量比;Petrov等[49]提出了外磁場(chǎng)牽引離子束流可對(duì)TiBx化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行調(diào)控;吳等[50]通過降低高功率脈沖磁控濺射(High Power Impulse Magnetron Sputtering, HiPIMS)的脈沖寬度提高Ti離化降低B/Ti比;但涂層性能精細(xì)調(diào)控機(jī)理尚不清晰。有關(guān)TiBx涂層的力學(xué)性能也存在爭(zhēng)議,Mayrhofer等[44]發(fā)現(xiàn)過量B偏析于晶界可生成團(tuán)簇柱狀納米復(fù)合結(jié)構(gòu),可提高涂層硬度,如圖6,涂層表現(xiàn)出超高硬度和高溫下的穩(wěn)定性;Petrov[49]和吳等[50]認(rèn)為TiBx涂層可通過降低B/Ti比降低內(nèi)應(yīng)力,改善涂層韌性和高溫抗氧化性。

通過第三元素置換固溶和生成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)可改變涂層斷裂韌性和優(yōu)化高溫性能。Bakhit等[51]采用HiPIMS-DCMS復(fù)合技術(shù)制備(TixHf1-x) B2涂層,發(fā)現(xiàn)多元涂層致密性、硬度更優(yōu),并發(fā)現(xiàn)在(ZrxTa1-x) By涂層中存在溫度升高相分解的時(shí)效硬化現(xiàn)象[48];Hahn等[52]結(jié)合第一原理計(jì)算和涂層沉積實(shí)驗(yàn),獲得兼具超高硬度(41~45 GPa)和高韌性(3.0~3.7 MPa·m-1/2)的(WxTa1-x) B2涂層。當(dāng)金屬靶材和硼化物靶材共沉積時(shí),將降低硼化物中B含量,優(yōu)化涂層韌性,如TiB2-Ti涂層[53]。在TiB2中引入N元素制備TiBN納米復(fù)合涂層可改善韌性、抗氧化性并降低殘余應(yīng)力,但隨著N含量增加,N易與B結(jié)合,出現(xiàn)軟質(zhì)a-BN相,導(dǎo)致涂層力學(xué)性能急劇下降[50],TiBN納米復(fù)合涂層的相組元調(diào)控仍有難度,受沉積等離子體影響。

2.3 氧化物刀具涂層

氧化物刀具涂層以氧化鋁為代表,由離子鍵構(gòu)成,在高溫下具有較高的硬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的抗磨損性能,是理想的刀具涂層材料。目前,用于切削加工的氧化鋁涂層主要是CVD合成的剛玉型α-Al2O3。PVD制備氧化物涂層時(shí)沉積溫度大多在350~650 ℃,極大地拓寬了基體材料的選擇范圍,涂層產(chǎn)生的壓應(yīng)力能有效抑制裂紋的產(chǎn)生,因此PVD氧化物涂層近來受到了廣泛關(guān)注。

目前,研究人員利用PVD技術(shù)制備了多種氧化物涂層(如ZrO2、Cr2O3[54-55]、Al2O3、Al-Ti-O等)并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了深入的研究,但用于切削加工領(lǐng)域的氧化物仍以Al2O3基為主。電弧離子鍍技術(shù)離化率高、沉積粒子能量強(qiáng),更有利于Al2O3涂層的形核結(jié)晶,但涂層表面會(huì)產(chǎn)生大量“液滴”缺陷,通過磁過濾技術(shù)可減少涂層表面“液滴”[56]。Rosén等[57]利用磁過濾陰極弧蒸發(fā)技術(shù)在700 ℃下制備出了以α相為主的Al2O3涂層,Brill等[58]研究了沉積離子能量對(duì)涂層物相結(jié)構(gòu)的影響,通過增加偏壓提高沉積離子的能量可降低α相的結(jié)晶溫度。Cheng等[59]利用射頻技術(shù)濺射α-Al2O3靶材在550 ℃下制備了具有剛玉型結(jié)構(gòu)的Al2O3涂層。靶材毒化是PVD技術(shù)沉積氧化鋁涂層的重要難題[60],Bobzin等[61]通過改變O2流量制備Al2O3涂層,發(fā)現(xiàn)高速率沉積理想化學(xué)計(jì)量比的Al2O3涂層需將靶材控制在金屬模式和中毒模式間的過渡區(qū)域工作。雙極脈沖濺射技術(shù)在濺射周期內(nèi)濺射靶有一半的時(shí)間被施加反向電壓充當(dāng)陽極,使表面累積的電荷充分釋放,抑制了靶面打弧和毒化,避免陽極消失效應(yīng)的產(chǎn)生[62]。Fietzke等[63]利用雙極脈沖磁控濺射制出了剛玉結(jié)構(gòu)的Al2O3涂層,硬度可達(dá)22 GPa;Zywitzki等[64]利用該方法制備了Al2O3涂層并研究沉積溫度對(duì)涂層結(jié)構(gòu)的影響,當(dāng)沉積溫度為330、480和760 ℃時(shí),涂層分別為非晶結(jié)構(gòu)、γ相為主和α相Al2O3。高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)利用低的占空比(0.5%~10.0%)和高的峰值功率大幅提高靶材的離化率(>50%),可制備出結(jié)構(gòu)致密、性能優(yōu)異的涂層[65]。Wallin等[66]發(fā)現(xiàn)利用HiPIMS制備Al2O3時(shí)可抑制甚至消除遲滯效應(yīng),實(shí)現(xiàn)對(duì)靶材濺射狀態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控,提高工藝的穩(wěn)定性。Selinder等[67]利用HiPIMS在650 ℃的溫度下成功制備了α-Al2O3涂層并展現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能。Bobzin等[68]對(duì)比了高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)和中頻磁控濺射(Medium Frequency Magnetron Sputtering, MFMS)制備的γ-Al2O3涂層,發(fā)現(xiàn)HiPIMS的Al2O3涂層結(jié)構(gòu)更加致密,在高溫空氣環(huán)境中具有更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性,銑削ENGJS-700-2鋼材時(shí)壽命提升了至少1倍。然而,HiPIMS沉積涂層時(shí),由于高的靶材電壓會(huì)反向吸引靶材濺射出的離子,導(dǎo)致沉積速率較低,限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。

PVD低的沉積溫度(350~650 ℃)無法為α-Al2O3的形核結(jié)晶提供足夠的能量,導(dǎo)致涂層大多由非晶或者γ相構(gòu)成。氧化鋁除了α相結(jié)構(gòu)外還有γ、δ、η、θ、κ、χ等多種亞穩(wěn)結(jié)構(gòu),這些亞穩(wěn)相在服役過程中易發(fā)生相變,影響切削的穩(wěn)定性;降低α-Al2O3相的沉積溫度成為加快氧化鋁基涂層工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。α-Cr2O3和α-Al2O3同屬空間群,具有相同的晶體結(jié)構(gòu)和相似的晶格常數(shù)(二者的晶格常數(shù)a和c分別相差~4.2%和~4.6%),且α-Cr2O3可在較低溫度下獲得,利用α-Cr2O3作為結(jié)構(gòu)模板可促進(jìn)α-Al2O3的形核,有望實(shí)現(xiàn)低溫下沉積剛玉型結(jié)構(gòu)涂層[69]。Jin等[70]利用射頻濺射在400 ℃下Cr2O3層上沉積Al2O3,發(fā)現(xiàn)層間的模板效應(yīng)產(chǎn)生外延生長使涂層呈現(xiàn)出剛玉結(jié)構(gòu)。然而,利用Cr2O3的模板作用促進(jìn)α-Al2O3結(jié)晶受到多種因素的影響。Ashenford等[71]通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算研究了點(diǎn)缺陷對(duì)Cr2O3和Al2O3生長的影響,發(fā)現(xiàn)僅缺陷濃度較低時(shí)涂層由α相構(gòu)成;Eklund等[72]研究了Cr2O3生長取向?qū)l2O3結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)取向的Cr2O3模板層更有利于α-Al2O3產(chǎn)生。Anderesson等[73]利用Cr2O3模板層制備Al2O3時(shí)發(fā)現(xiàn)沉積過程中氧壓對(duì)涂層的物相結(jié)構(gòu)有著明顯的影響,分壓較低或者較高時(shí)均無法獲得α-Al2O3。此外,Cr2O3模板外延生長只能得到一薄層的α-Al2O3,Al2O3厚度增加時(shí)仍以非晶或各種亞穩(wěn)相存在。

在氧化鋁涂層中引入Cr元素制備(Cr, Al)2O3涂層也是一種獲取剛玉型氧化物涂層的有效方法。(Cr, Al)2O3涂層的結(jié)構(gòu)和性能與沉積技術(shù)、涂層成分、沉積粒子能量等密切相關(guān)。Diechle等[74]通過濺射拼接靶材在500 ℃下制備了不同成分的(Cr1-xAlx)2O3(0.1≤x≤0.27),發(fā)現(xiàn)所有涂層均為剛玉型結(jié)構(gòu),Cr含量減小時(shí)涂層晶粒尺寸減小,結(jié)晶度下降。200~300℃的沉積溫度下隨著涂層中Cr含量減小,涂層從剛玉型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷ЫY(jié)構(gòu)[75]。利用磁控濺射制備(Cr, Al)2O3涂層時(shí),較低的沉積速率是制約其工業(yè)化應(yīng)用的重要因素。陰極弧蒸發(fā)沉積過程中,靶材表面容易生成絕緣的氧化物,影響靶材的燒蝕以及弧光放電的穩(wěn)定。Ramm等[76]基于脈沖陰極弧蒸發(fā)發(fā)展了P3eTM技術(shù),有效抑制了靶材的毒化,實(shí)現(xiàn)了α-(Cr, Al)2O3涂層的穩(wěn)定沉積,該項(xiàng)工作推動(dòng)了陰極弧蒸發(fā)(Cr, Al)2O3涂層的工業(yè)化進(jìn)程。Koller等[77]利用陰極弧蒸發(fā)沉積了不同Cr含量的(Cr, Al)2O3涂層,發(fā)現(xiàn)富Al的涂層由剛玉結(jié)構(gòu)和立方結(jié)構(gòu)兩相構(gòu)成,而富Cr的涂層則為單相的剛玉結(jié)構(gòu)。Dalbauer等[78]發(fā)現(xiàn)增加O2流量時(shí)O元素優(yōu)先聚集在柱狀晶晶界處,涂層呈現(xiàn)出細(xì)小的等軸晶結(jié)構(gòu),當(dāng)O2流量充足時(shí)可以獲得化學(xué)計(jì)量比的(Cr, Al)2O3,隨著Cr量升高涂層由亞穩(wěn)的立方相轉(zhuǎn)變?yōu)閯傆窠Y(jié)構(gòu)。

涂層的微觀結(jié)構(gòu)和性能很大程度上取決于到達(dá)基體上的離子動(dòng)能,通過提升偏壓增強(qiáng)離子轟擊可改變涂層的微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)。但制備(Cr, Al)2O3等導(dǎo)電性較差的涂層時(shí),為防止電荷的積累以及隨著時(shí)間推移涂層質(zhì)量的下降,通常使用脈沖或者射頻偏壓。Balazer公司推出(Cr, Al)2O3涂層的專用P3eTM技術(shù)搭載了雙極脈沖偏壓[76]。Koller等[79]在-60至-160 V的范圍內(nèi)調(diào)控基體偏壓制備了(Cr0.3Al0.7)2O3涂層并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,隨著基體偏壓的增加涂層殘余應(yīng)力從拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,硬度從12.5 GPa升高到25 GPa。然而,Najafi等[80]認(rèn)為沉積過程中高能沉積粒子的轟擊效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致涂層內(nèi)部產(chǎn)生大量空位,有利于FCC結(jié)構(gòu)的形成。Koller等[81]利用第一性原理計(jì)算結(jié)果指出由空位和間隙對(duì)組成的弗蘭克缺陷有利于(Cr, Al)2O3中產(chǎn)生立方相。

其他元素添加對(duì)(Cr, Al)2O3涂層的相結(jié)構(gòu)和性能也有影響。Koller等[82]研究了Fe元素對(duì)陰極弧蒸發(fā)的(Cr0.3Al0.7)2O3涂層微觀結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)Fe的合金化添加可促進(jìn)(Cr0.3Al0.7)2O3涂層中α相的產(chǎn)生。Paulitsch等[83]發(fā)現(xiàn)Si元素的摻入可抑制靶材表面島狀氧化物的產(chǎn)生,提高靶材燒蝕的穩(wěn)定性,但Land?lv等[84]發(fā)現(xiàn)Si元素會(huì)在“液滴”內(nèi)富集,其添加導(dǎo)致涂層硬度下降。Liu等[85]的計(jì)算結(jié)果表明Si有利于穩(wěn)定立方相,Ti、Mn、V、Y等元素固溶到(Cr, Al)2O3中有利于形成穩(wěn)定的剛玉型固溶體。B元素表現(xiàn)出與Si類似的作用,可細(xì)化晶粒,促進(jìn)立方相的生成,抑制亞穩(wěn)態(tài)立方相的相變,提高涂層的高溫穩(wěn)定性[86]。

采用多元多層的設(shè)計(jì)有利于調(diào)控氧化鋁基涂層的結(jié)構(gòu)和性能。Koller等[87]通過基體在不同成分的靶材前周期性的旋轉(zhuǎn)構(gòu)建了調(diào)制周期為~60 nm的(Cr, Al)2O3/(Al, Cr,X)2O3納米多層涂層(X=Fe、Si、B)。如圖7所示[88],單層富Al的(Al, Cr)2O3和(Al, Cr, Fe)2O3涂層由六方結(jié)構(gòu)(α 相)和亞穩(wěn)的立方結(jié)構(gòu)混合而成,(Al, Cr, Si)2O3和(Al, Cr, B)2O3則由非晶相和立方相構(gòu)成。在富Cr的(Cr0.75Al0.25)2O3層的模板作用下,幾種納米多層均表現(xiàn)為結(jié)晶良好的剛玉結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)和性能可以通過單層厚度和成分進(jìn)行調(diào)控。

圖7 (a)(Al, Cr, X) 2O3基單層以及(Cr0.75Al0.25) 2O3/(Al, Cr, X) 2O3多層的涂層的XRD圖譜和(b)涂層生長的結(jié)構(gòu)示意圖[88]Fig.7 (a) XRD patterns of (Al, Cr, X) 2O3-based single layer and (Cr0.75Al0.25) 2O3/(Al, Cr, X) 2O3 multilayer coatings, and (b) Schematic diagram of coating growth structure [88]

2.4 氮化物/氧化物復(fù)合刀具涂層

現(xiàn)代切削加工中刀具會(huì)遭受到較大的機(jī)械載荷和溫度載荷,要實(shí)現(xiàn)氧化物涂層的切削應(yīng)用,除了對(duì)涂層的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控外,還需要保證涂層與刀具基體具備良好的結(jié)合力。CVD Al2O3涂層主要是采用TiN或TiCN作為過渡層來提供涂層與刀具基體之間良好的附著力,PVD氧化物涂層與硬質(zhì)合金刀具基體的物理性質(zhì)存在巨大差異,也需引入合適的過渡層來解決涂層與刀具基體結(jié)合的問題。?strand等[89]利用PVD技術(shù)構(gòu)建的TiN/Al2O3在車削工具鋼時(shí)切削壽命明顯高于PVD TiN和CVD TiCN/Al2O3涂層。Bobzin等[68]利用HiPIMS在TiAlN涂層上制備了γ-Al2O3涂層,在銑削EN-GJS-700-2鋼材以及Ti-6Al-4V時(shí)均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。Nohava等[90]利用陰極弧蒸發(fā)技術(shù)先沉積TiN作為結(jié)合層,之后沉積AlTiN/SiNx作為過渡層,最后沉積α-(Al, Cr)2O3層,制備出的涂層在800 ℃下經(jīng)過32 000圈的摩擦測(cè)試仍保持極低的磨損率,耐磨性遠(yuǎn)超同類結(jié)構(gòu)的氮化物。上述結(jié)果表明,采用過渡金屬氮化物作為過渡層可保證氧化物涂層與基體之間的結(jié)合,充分發(fā)揮氧化物涂層的優(yōu)勢(shì)。此外,通過交替沉積TiAlN和Al2O3層可制備出TiAlN/Al2O3多層涂層,該涂層在切削加工中也具有優(yōu)異的性能[91]。

為進(jìn)一步增強(qiáng)氮化物層和氧化物層之間的結(jié)合,部分研究人員在氮化物和氧化物之間引入了氧氮化物層。B o b z i n 等[92]利用磁控濺射制備TiAlN/Al2O3涂層時(shí),沉積完TiAlN層后并未直接沉積Al2O3層,而是在兩者之間沉積了~0.8 μm的氧氮化物過渡層。獲得的TiAlN/Al2O3涂層在高溫摩擦以及干式切削不銹鋼時(shí),均表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐磨性。Koller等[79]在沉積(Al,Cr)2O3涂層時(shí)為保證結(jié)合力采用了FCC-AlCrN作為過渡層,并且在AlCrN和(Al, Cr)2O3之間插入AlCrON層。

氮化物/氧化物雙層或者多層涂層中,二者相互轉(zhuǎn)換時(shí)形成的界面會(huì)嚴(yán)重影響涂層的性能。Shi等[93]在CrN/Cr2O3多層涂層中發(fā)現(xiàn)由于O2會(huì)優(yōu)先與Cr反應(yīng),CrN向Cr2O3轉(zhuǎn)換時(shí)界面清晰,過渡層厚度僅1~2 nm,而Cr2O3向CrN轉(zhuǎn)換時(shí)界面處會(huì)形成40~50 nm由納米晶和非晶組成的Cr–O–N梯度層,二者界面模糊。隨著調(diào)制周期降低至440 nm時(shí),涂層中模糊界面比例增加,CrN層或Cr2O3層純度降低,涂層硬度下降。Raab等[94]通過改變AlCrN和(Al, Cr)2O3層切換時(shí)的反應(yīng)氣體分別獲取了層間界面清晰的、混合的以及模糊的AlCrN/(Al, Cr)2O3多層涂層。所有的AlCrN/(Al, Cr)2O3多層涂層均呈現(xiàn)出FCC結(jié)構(gòu),調(diào)制周期較大時(shí),層間界面的類型會(huì)明顯影響涂層的硬度,界面清晰的涂層硬度最大。當(dāng)調(diào)制周期較小時(shí)AlCrN和(Al, Cr)2O3在界面處可能會(huì)發(fā)生局部的外延生長,涂層硬度上升,界面類型對(duì)涂層硬度的影響較小。AlCrN/(Al, Cr)2O3多層涂層的界面類型對(duì)熱穩(wěn)定性無明顯差別,而與單層的AlCrN和(Al, Cr)2O3相比,多層涂層展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性,溫度升高到~1 200 ℃后AlCrN/(Al,Cr)2O3中的AlCrN會(huì)發(fā)生相分解[95]。在氮化物/氧化物納米多層中通過改變調(diào)制周期或調(diào)制比等可調(diào)控二者界面結(jié)構(gòu)。Li等[96]發(fā)現(xiàn)CrAlN/ZrO2納米多層涂層的界面處CrAlN和ZrO2會(huì)形成共格界面,ZrO2以CrAlN為模板生長為FCC的結(jié)構(gòu)。隨著ZrO2子層厚度的增加涂層硬度上升,當(dāng)厚度超過1.0 nm后共格界面被破壞涂層硬度下降。此外,Najafi等[80]制備(Al, Cr)2O3時(shí)發(fā)現(xiàn)涂層生長初期以FCC為主,當(dāng)厚度增加至2 μm涂層轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?,并研究了CrN和AlSiN過渡層對(duì)(Al, Cr)2O3生長過程的影響,發(fā)現(xiàn)過渡層的物相結(jié)構(gòu)并不會(huì)影響(Al, Cr)2O3涂層的結(jié)構(gòu)演變。

3 PVD刀具涂層沉積技術(shù)

市場(chǎng)主流的PVD刀具涂層技術(shù)有電弧離子鍍(Arc Ion Plating,AIP)和磁控濺射(Magnetron Sputtering,MS)兩類,AIP刀具涂層以瑞士Oerlikon Balzers公司為代表,MS刀具涂層以德國CemeCon公司為代表。

在電弧離子鍍技術(shù)中(圖8(a)[97]),涂層材料通過真空室中低電壓、高電流的電弧放電進(jìn)入氣相,以高電流密度(106~1012A/m2) 為特征,電弧在靶材表面做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng),弧斑所到之處局部溫度高達(dá)15 000℃,靶材能夠瞬間蒸發(fā)并實(shí)現(xiàn)高效離化,激發(fā)粒子通常具有較高的粒子能量,有助于提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度和硬度,獲得結(jié)構(gòu)致密,力學(xué)性能優(yōu)異的刀具涂層,如TiN,TiAlN,TiAlSiN和DLC等涂層[98-100]。基于電弧離子鍍靶位可調(diào)性和較低沉積溫度特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)較廣泛材料表面防護(hù)涂層的制備,同時(shí)避免零部件的熱變形及材料退火,而通過多靶組合沉積可以實(shí)現(xiàn)涂層成分和結(jié)構(gòu)的可控調(diào)節(jié)。但是由于弧斑能量集中,靶面的不均燒蝕容易導(dǎo)致宏觀大顆粒的蒸發(fā)并形成熔池效應(yīng)[101-103],這種液滴缺陷通常會(huì)導(dǎo)致電弧離子鍍涂層具有較高的表面粗糙度,同時(shí)在涂層生長過程中,液滴缺陷附著會(huì)打斷涂層的連續(xù)生長,形成孔洞等生長缺陷,對(duì)涂層的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生較大影響。近年來,結(jié)合電磁場(chǎng)和永磁場(chǎng)調(diào)節(jié)控制弧斑運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高性能涂層制備備受研究者關(guān)注[104-107]。Lang[108]等通過基于電磁線圈和永磁體配合形成軸對(duì)稱磁場(chǎng)分布,通過徑向分量和縱向分量磁場(chǎng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了靶材的均勻燒蝕,有效改善了沉積過程中液滴缺陷的產(chǎn)生。Hu[109]等通過軸對(duì)稱磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了ta-C涂層微觀結(jié)構(gòu)和表面性能的改善。筆者所在課題組近年來也針對(duì)陰極弧磁場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究,采用陰極弧蒸發(fā)成功制備了高性能AlCrO涂層[110]?;诖艌?chǎng)對(duì)弧斑運(yùn)動(dòng)的有效控制,國外知名涂層公司荷蘭Hauzer公司通過陰極磁場(chǎng)分布優(yōu)化推出了CARC+技術(shù)。瑞士Swiss-PVD公司推出的電弧分裂技術(shù),及通過矩形平面電弧陰極匹配十字形磁鐵實(shí)現(xiàn)了對(duì)弧斑的分裂,有效減少了涂層制備過程中液滴缺陷的形成[111]。此外,德國PVT公司和瑞士Balzers公司也針對(duì)磁弧約束進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)備和技術(shù)研發(fā)?;陔娀‰x子鍍技術(shù)發(fā)展的過濾電弧沉積(Filtered Arc Deposition, FAD)[112-113]和離子輔助沉積(Ion Assisted Deposition,IAD)[114-115]技術(shù)在改善電弧沉積液滴缺陷方面也有突出效果,區(qū)別于陰極電弧源磁場(chǎng)設(shè)計(jì),F(xiàn)AD技術(shù)通過在靶材與工件間設(shè)置弧形彎管配合電磁場(chǎng)作用實(shí)現(xiàn)對(duì)大顆粒的有效過濾,而IAD技術(shù)通過輔助離化增加了沉積腔室的等離子體密度,提高了陰極弧蒸發(fā)離子碰撞和二次離化的幾率,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控和生長缺陷的改善。

圖8 (a)電弧離子鍍技術(shù)原理及典型涂層結(jié)構(gòu);(b)磁控濺射技術(shù)原理及典型涂層結(jié)構(gòu)[97]Fig.8 (a) Arc ion plating technology principle and typical coating structures, (b) Magnetron sputtering technology principle and typical coating structures [97]

在磁控濺射技術(shù)中(圖8(b) ),通過氣體放電離化形成的高能等離子在電場(chǎng)作用下加速轟擊靶材表面,濺射出的靶材原子通過動(dòng)量傳遞獲得動(dòng)能后運(yùn)動(dòng)到基材表面,通過吸附、形核、生長最終形成涂層。配合濺射陰極靶材磁場(chǎng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了靶面運(yùn)動(dòng)電子的控制,增加了濺射粒子的碰撞幾率,提高了靶材的濺射效率。近年來非平衡磁控濺射技術(shù)得到快速發(fā)展[116-119],通過濺射陰極源非平衡磁場(chǎng)設(shè)計(jì)顯著增加了靶前輝光放電區(qū)域,帶電粒子二次碰撞幾率增加,靶材離化率進(jìn)一步改善[120-121]。根據(jù)工藝需要,磁控濺射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單一金屬、合金和化合物涂層的濺射制備,濺射過程中配合通入不同的反應(yīng)性氣體(N2、O2等)可以實(shí)現(xiàn)涂層成分多樣化設(shè)計(jì)。磁控濺射靶面溫度低,避免了濺射過程中大顆粒缺陷的產(chǎn)生,所以能夠獲得表面質(zhì)量優(yōu)異,結(jié)構(gòu)致密的涂層。然而與電弧離子鍍相比較,磁控濺射仍然存在靶材離化率低、膜基結(jié)合力差等缺點(diǎn),因此實(shí)現(xiàn)磁控濺射的高效離化一直是研究熱點(diǎn)方向。根據(jù)磁控濺射電源的不同可以主要分為直流磁控濺射(DC Magnetron Sputtering, DCMS),射頻磁控濺射(Radio Frequency Magnetron Sputtering, RFMS)和脈沖磁控濺射,其中高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)在提高靶材離化率和高性能涂層制備方面表現(xiàn)突出。

由于普通磁控濺射技術(shù)陰極上的功率密度很低,等離子體的密度為1017m-3,導(dǎo)致濺射原子離化率低[122],成膜粒子能量低。因此Kouznetsov[123]將脈沖電源引入磁控濺射,通過增加濺射靶前的等離子體密度來提高離化率,開發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù),即高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)[124],該技術(shù)結(jié)合了DCMS和AIP[125]的優(yōu)點(diǎn),且可以控制電離程度[126]。HiPIMS技術(shù)通過向靶材施加一系列的高功率密度和低占空比的周期性重復(fù)微脈沖,使靶材原子的離化率高達(dá)90%,等離子體密度達(dá)到1019m-3[123,127-129]。 HiPIMS制備的涂層性能優(yōu)異,表面光滑無液滴、厚度均勻與基體結(jié)合良好,其致密涂層形態(tài)有利于高溫穩(wěn)定性及抗氧化性的提升。因?yàn)槌练e過程中較高的的離化率,增強(qiáng)了沉積原子的遷移率,使得涂層晶粒細(xì)化、結(jié)構(gòu)更致密。相比于普通磁控濺射,HiPIMS所制備的TiN[130]、CrN[124]的硬度更高。所制備的TiB2硬度高達(dá)43.4 GPa,而普通磁控制備的為29.3 GPa[131]。劉源等[132]比較了HiPIMS和電弧離子鍍制備的TiAlN涂層,在硬度相當(dāng)?shù)那闆r下,HiPIMS制備的涂層刀具切削壽命更長。Reolon等[133]比較了電弧與HiPIMS制備的Al0.6Ti0.4N涂層切削加工鎳基Inconel 718高溫合金,發(fā)現(xiàn)HiPIMS有效降低了涂層的磨損與氧化,獲得了更好的結(jié)合力與斷裂韌性,使刀具的整體壽命比電弧制備的提高了約60%。HiPIMS使涂層的晶粒細(xì)化、結(jié)構(gòu)致密化獲得了更好的力學(xué)、摩擦磨損及高溫抗氧化性能等,顯著提長了刀具涂層的切削壽命,因而應(yīng)用廣泛。

隨著市場(chǎng)需求及要求的不斷提高,以往的技術(shù)或多或少存在不足,各涂層企業(yè)也在不斷加強(qiáng)對(duì)涂層工藝及設(shè)備的研制開發(fā)。荷蘭豪澤(Hauzer)于1991年整合電弧離子鍍與非平衡磁控濺射,希望結(jié)合兩項(xiàng)技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì),因而開啟了電弧/濺射復(fù)合沉積的新思路。歐瑞康巴爾查斯(Oerlikon Balzers)基于電弧與HiPIMS工藝,同時(shí)加入電弧增強(qiáng)輝光放電(Arc-enhanced glow discharge, AEGD)開發(fā)了High Ionization Triple(HI3)技術(shù),用于高性能涂層的復(fù)合沉積(圖9(a) )。此外,還基于HiPIMS技術(shù)發(fā)展了可擴(kuò)展脈沖功率等離子體技術(shù)(S3p),能夠制備出高表面質(zhì)量、結(jié)構(gòu)致密的高性能硬質(zhì)涂層[134]。圖9(b) 為Balzers公司采用S3p工藝制備的刀具,刀具涂層厚度分布均勻保證了切削刃的鋒利,在使用超小直徑刀具時(shí),效果尤為顯著。

圖9 Balzers公司采用(a)HI3和(b)S3p工藝所制備的刀具涂層Fig.9 Tool coatings prepared by Balzers company using (a) HI3 and (b) S3p processes

Koller等[135-136]采用電弧/濺射復(fù)合沉積TiAlN/TaAlN及TiAlTaN/TaAlN納米多層涂層,通過改變TiAlTa電弧靶材的成分比例與TaAl濺射靶的功率調(diào)控涂層中的Ta含量,實(shí)現(xiàn)了共格外延生長,避免了六方相AlN的形成,使涂層獲得了優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。Chang等[137]使用AIP/HiPIMS混合技術(shù)降低了TiN涂層的宏觀顆粒密度,提高硬度和耐磨性。筆者所在課題組優(yōu)化電弧離子鍍/磁控濺射復(fù)合沉積技術(shù)制備出硬度、結(jié)合力高以及內(nèi)應(yīng)力可控的AlTiN[138]、AlTiN/AlCrN、CrO/AlO[139]涂層。研究發(fā)現(xiàn),在復(fù)合沉積過程中,襯底周期性地沉積來自電弧和濺射的粒子,形成了自組織的多層結(jié)構(gòu)[140]。而將多層厚度控制在納米范圍時(shí),相鄰子層會(huì)產(chǎn)生外延生長,進(jìn)而促進(jìn)子層的結(jié)晶,穩(wěn)定相結(jié)構(gòu)[138,141]。復(fù)合沉積結(jié)合各工藝的優(yōu)勢(shì),成分選擇更廣,調(diào)控更易,且內(nèi)應(yīng)力可調(diào)[142],通過納米多層以及納米復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化可獲得性能優(yōu)異的硬質(zhì)涂層,顯著提升刀具的切削性能。因此,復(fù)合沉積技術(shù)在生產(chǎn)效率、刀具涂層的定制化設(shè)計(jì)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 PVD刀具涂層存在問題分析及展望

盡管PVD刀具涂層已有大量研究,但隨著先進(jìn)制造業(yè)中鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋼等難加工材料應(yīng)用越來越多,且對(duì)切削速度、效率和加工精度越來越高,目前刀具涂層難以滿足要求。關(guān)鍵科學(xué)/技術(shù)問題仍未解決成為刀具涂層進(jìn)一步發(fā)展的障礙。下面將對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行分析和闡述。

4.1 多元合金化刀具涂層的設(shè)計(jì)和性能研究

刀具涂層的多元合金化是改善性能的重要途經(jīng)。TiAlN是使用最廣泛的刀具涂層材料之一,由于PVD是非平衡的材料制備過程,TiAlN在很大范圍內(nèi)不受熱力學(xué)的限制,具有亞穩(wěn)固溶體結(jié)構(gòu)[143]。TiAlN涂層高溫下的調(diào)幅分解是其具有優(yōu)異切削性能的重要原因,如圖10(a) ,在溫度高于800 ℃時(shí),亞穩(wěn)的TiAlN分解為富Ti的FCC相和富鋁的FCC相,由于不同相之間存在共格應(yīng)變,會(huì)導(dǎo)致時(shí)效硬化,如圖10(b) 所示。溫度升高或保溫時(shí)間變長,亞穩(wěn)的FCC-AlN轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的六方纖鋅礦AlN相(圖10(c) )、硬度快速下降。富鋁FCC相+富鋁FCC相調(diào)幅結(jié)構(gòu)的范圍分布、起始和結(jié)束溫度將極大影響涂層的高溫性能。在近四十年的發(fā)展歷程中,TiAlN涂層經(jīng)歷Ti0.75Al0.25N→Ti0.5Al0.5N→Ti0.33Al0.67N的發(fā)展。鋁含量的增加有利于涂層力學(xué)性能的提高和高溫氧化性能的改善,但當(dāng)鋁含量過高時(shí)六方AlN相的出現(xiàn)造成涂層力學(xué)性能下降。

圖10 Ti0.5Al0.5N涂層高溫下微結(jié)構(gòu)和硬度的演變Fig.10 Evolution of microstructure and hardness of Ti0.5Al0.5N coating at high temperatures

進(jìn)一步改進(jìn)PVD TiAlN可以通過與不同的元素合金化,如V[144]、Ta[145]、W[146]、B[147]或Si[148]。Ta的加入對(duì)合金的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能以及熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性都有有益的影響。例如在TiAlN中加入Ta會(huì)促進(jìn)FCC相的形成,從而抑制高溫下六方相的形成;隨著Ta含量的增加,硬度最大值向更高的溫度轉(zhuǎn)移[19]。Ta和Cr共摻雜可以同時(shí)改善TiAlN涂層的高溫硬度和抗氧化性[22]。Liu等[149]通過實(shí)驗(yàn)和理論方法證明了Al在FCC-TiAlN中的溶解度極限受到殘余應(yīng)力的顯著影響,可以通過調(diào)整沉積參數(shù)來調(diào)整殘余應(yīng)力。Grossmann等[150]發(fā)現(xiàn)較高的偏壓下涂層中可固溶Al含量增加,較高的壓應(yīng)力和缺陷密度以及較小的晶粒尺寸導(dǎo)致在較高的偏壓下生長的高鋁涂層具有較高的硬度,而且韌性及抗裂能力也較強(qiáng)。因此多元共摻雜和沉積參數(shù)調(diào)控可以進(jìn)一步提高TiAlN涂層的高溫性能,適用于高速高效切削。但是目前多元涂層中各元素對(duì)相分離的影響尚有很多未知,富鈦面心立方相穩(wěn)定元素、富鋁面心立方相穩(wěn)定元素、六方相穩(wěn)定元素,對(duì)涂層中調(diào)幅分解的起始溫度和完成溫度、共格中間相形成有重要影響,從而影響涂層的性能,但目前對(duì)多元涂層組織結(jié)構(gòu)和性能的研究尚不充分。

涂層中不出現(xiàn)六方相的最高鋁含量,被認(rèn)為是高鋁涂層力學(xué)性能安全的極限值,高鋁Ti1-xAlxN涂層鋁原子含量最高為x= 66%~67%,Cr1-xAlxN涂層最高鋁原子含量為70%左右。CVD技術(shù)制備的Ti1-xAlxN涂層近來得到廣泛關(guān)注,可以沉積純FCC-Ti1-xAlxN涂層,鋁原子含量高達(dá)80%~90%,在切削試驗(yàn)中表現(xiàn)出卓越的性能[151-153],涂層中形成富Al和富Ti的Ti1-xAlxN片層交替的自組織納米層狀結(jié)構(gòu)。透射電子顯微圖和三維原子探針層析成像可以看出,納米片在單個(gè)顆粒內(nèi)具有幾納米的周期性。PVD涂層通過調(diào)控或后處理能否可以獲得類似CVD涂層中高鋁含量和片層組織還未見報(bào)道。其他多元涂層中是否可以發(fā)掘出類似TiAlN系列優(yōu)異性能的系列成分還缺乏深入研究。

4.2 納米復(fù)合刀具涂層超強(qiáng)韌性能的調(diào)控

如圖11,納米復(fù)合涂層超高硬度的關(guān)鍵在于非晶界面相包裹納米晶的獨(dú)特結(jié)構(gòu);納米晶因Hall-Petch效應(yīng)增加硬度;晶界相足夠薄、有強(qiáng)內(nèi)聚能無晶界滑移,且與結(jié)晶相良好結(jié)合,避免普通納米晶的反Hall-Petch硬度下降[30]。因此,納米復(fù)合涂層硬度增強(qiáng)的關(guān)鍵在于相分離徹底,納米晶結(jié)晶質(zhì)量好,晶界相純度高、致密且足夠薄。對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu),Veprek等認(rèn)為關(guān)鍵在于涂層生長溫度高、氮?jiǎng)莞摺㈦s質(zhì)少[154]。

圖11 納米復(fù)合涂層力學(xué)性能示意圖Fig.11 Schematic diagram of the mechanical properties of nanocomposite coatings

研究發(fā)現(xiàn),等離子沉積過程中不同元素的離子/原子比例、價(jià)態(tài)、能量分布影響涂層生長和微觀結(jié)構(gòu)及性能[155-157]。如表1,Hultman教授課題組[156-157]發(fā)現(xiàn)高離化率的Ti源(TiHIPIMS)與低離化率的Al源和Si源(AlDCMS、SiDCMS)易促進(jìn)第二相h-AlN和a-SiNx析出,反之則易生成固溶體,極大影響涂層性能;工業(yè)生產(chǎn)中缺乏對(duì)各元素等離子體的控制而無法獲得優(yōu)化的納米復(fù)合涂層結(jié)構(gòu),如何協(xié)調(diào)沉積源方便調(diào)控等離子體獲得優(yōu)化刀具涂層仍是一個(gè)難題。

表1 不同沉積源制備TiAlN、TiSiN涂層的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能對(duì)比Table 1 Comparison of structural and mechanical properties of TiAlN and TiSiN coatings prepared from different deposition sources

由于納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的形成,TiAlSiN涂層可以達(dá)到40 GPa以上的極高硬度值,從而抑制晶界滑動(dòng)。但是,如果Si原子含量超過7%~10%的限制,根據(jù)沉積工藝、所選參數(shù)以及Al含量的不同,涂層硬度會(huì)因非晶相變厚而降低;為了獲得超硬涂層,非晶相的厚度不應(yīng)超過一層或兩層原子層。此外,Si的加入將促進(jìn)六方TiAlN相在沉積狀態(tài)下的形成,需要降低涂層中Si含量。近年來,硬質(zhì)涂層斷裂行為的研究引起了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注,因?yàn)樗鼘?duì)涂層的應(yīng)用行為也有很大的影響。Moritz等[158]研究了兩種不同鋁含量的電弧蒸發(fā)TiAlSiN涂層的斷裂韌性和斷裂應(yīng)力,并將其與TiSiN和TiN涂層進(jìn)行了比較,如圖12(a) 所示。微彎曲實(shí)驗(yàn)采用無缺口懸臂梁進(jìn)行斷裂應(yīng)力評(píng)估,采用缺口懸臂梁進(jìn)行斷裂韌性評(píng)估,在TiN中加入Si后,其斷裂應(yīng)力和韌性分別提高到3.1±0.5 GPa和2.7±0.4 MPa·m-1/2。進(jìn)一步向TiSiN中添加少量Al(Ti,Al, Si原子比為81:3:16)并沒有明顯改變其細(xì)晶組織(如圖12(c) 和(d) 所示) ,斷裂應(yīng)力也基本未受影響(3.1±0.2 GPa)。然而,可以觀察到斷裂韌性的增加。進(jìn)一步增加Al含量(Ti, Al, Si原子比為70:14:16,見圖12(e) ),斷裂應(yīng)力為5.3±0.5 GPa,斷裂韌性為3.3±0.2 MPa·m-1/2,斷裂性能明顯改善。盡管在Ti1-xAlxN體系中添加Si有利于形成沉積狀態(tài)的六方相,但它對(duì)抗氧化性有積極影響,Pfeiler等[159]觀察到Ti30.4Al68.4Si1.2N涂層的氧化層厚度低于Ti30Al70N涂層,TiAlSiN中銳鈦礦向金紅石轉(zhuǎn)變的延遲導(dǎo)致金紅石相粗化的時(shí)間縮短,導(dǎo)致金紅石晶粒變小和/或氧化層厚度減小。

圖12 (a)電弧蒸發(fā)沉積的TiAlSiN涂層的斷裂應(yīng)力和斷裂韌性;涂層橫截面形貌圖:(b)TiN、(c)Ti84Si16N、(d)Ti81Al3Si16N和(e)Ti70Al14Si16N涂層[158]Fig.12 (a) Fracture stress and fracture toughness of TiAlSiN coatings deposited by arc evaporation; Cross-sectional morphology of coatings: (b) TiN, (c) Ti84Si16N, (d) Ti81Al3Si16N, and (e) Ti70Al14Si16N Coatings[158]

與TiAlSiN涂層多元納米復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控類似,其他成分的納米復(fù)合涂層中雜質(zhì)、反應(yīng)氮?jiǎng)莺统练e等離子體對(duì)涂層結(jié)構(gòu)的影響,涂層中各元素在納米晶體相和晶界非晶相中的偏析行為,納米晶相的相變控制等,都對(duì)涂層的硬度、韌性、高溫氧化等力學(xué)和化學(xué)性能有重要影響,有效的系統(tǒng)研究可以進(jìn)一步改善納米復(fù)合涂層性能和發(fā)展新的納米復(fù)合涂層體系,目前相關(guān)研究還較為缺乏。

4.3 多層梯度刀具涂層設(shè)計(jì)和切削性能研究

在實(shí)際刀具涂層的設(shè)計(jì)中,除了要考慮涂層的硬度、韌性、高溫抗氧化性等性能外,還要考慮其與基體的匹配、在實(shí)際切削環(huán)境中的適應(yīng)性等。

涂層在刀具基體上生長時(shí),涂層與基體界面間的形核生長和顯微組織、內(nèi)應(yīng)力分布,將極大影響涂層結(jié)合性能;高速切削時(shí)刃口溫度很高,硬質(zhì)合金中Co易向外擴(kuò)散導(dǎo)致基體力學(xué)性能下降和刃口過早崩裂破壞。需考慮刀具涂層在基體表面的形核結(jié)晶,深入研究涂層-基體界面元素分布、晶格及缺陷分布,及其在高溫和使役過程中的演變,是澄清涂層界面結(jié)合的關(guān)鍵問題,從而優(yōu)化涂層工藝,設(shè)計(jì)界面結(jié)合層和擴(kuò)散阻擋層,解決刀具涂層最重要的結(jié)合問題,但目前尚缺乏深入的細(xì)節(jié)研究。

硬質(zhì)涂層與刀具基體硬度相差較大,刀具涂層易發(fā)生災(zāi)難性的疲勞失效;在高速切削中,刀具刃口承受高溫高壓,經(jīng)受嚴(yán)苛的熱力疲勞,需要保持良好的高溫硬度和韌性。功能梯度材料設(shè)計(jì)能夠提高因摩擦、沖擊和疲勞等所引起的接觸變形和損傷的抵抗能力[160]。盧柯院士發(fā)現(xiàn)梯度納米結(jié)構(gòu)可以有效抑制接觸載荷下材料的應(yīng)變局域化,改變裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)散機(jī)制,呈現(xiàn)出與粗晶及均勻納米晶材料截然不同的特性[161-162]。在涂層刀具中,多層和梯度涂層設(shè)計(jì)的研究主要局限于使基體與涂層熱膨脹系數(shù)和力學(xué)性質(zhì)均勻過渡,如何設(shè)計(jì)具有更優(yōu)耐磨損性的刀具涂層,還需從內(nèi)應(yīng)力分布、疲勞斷裂、摩擦磨損機(jī)制等方面對(duì)涂層-基體設(shè)計(jì)深入研究。

除了硬度、耐磨性、熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性外,硬質(zhì)涂層的導(dǎo)熱性在產(chǎn)生劇烈熱量的切削應(yīng)用中也起著至關(guān)重要的作用[163]。涂層熱導(dǎo)率受其成分和顯微結(jié)構(gòu)影響很大,Samani等[164]觀察到TiN的熱導(dǎo)率約為11.9 W/(m·K),隨著Al的加入,熱導(dǎo)率可以降低到約4.6 W/(m·K)。當(dāng)形成雙相結(jié)構(gòu)時(shí)熱導(dǎo)率增加,這是因?yàn)锳lN熱導(dǎo)率為~30 W/(m·K),高于TiN[165,166],合金元素的加入會(huì)導(dǎo)致晶格畸變和局部應(yīng)變場(chǎng),從而降低聲子的局部平均自由程,如Ti1-xAlxN體系中加入Ta會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)一步降低[167]。刀具涂層的熱導(dǎo)率影響切削熱分配,低熱導(dǎo)率涂層使切屑帶走更多切削熱,降低刀具溫升,溫差可達(dá)100 ℃;但同時(shí)涂層平面內(nèi)還需有足夠的導(dǎo)熱能力,使熱可在刀刃表面快速擴(kuò)散,不產(chǎn)生高溫?zé)狳c(diǎn)。目前溫度測(cè)試方法較難測(cè)試到涂層內(nèi)溫度分布,需結(jié)合計(jì)算仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究[2]。納米復(fù)合涂層一般導(dǎo)熱系數(shù)較低,需考慮多層涂層設(shè)計(jì)進(jìn)行面內(nèi)面間導(dǎo)熱性能設(shè)計(jì)。刀具涂層設(shè)計(jì)中對(duì)熱導(dǎo)率考慮明顯不夠。

切削過程中,刀具-切屑(刀-屑)和刀具-工件(刀-工)表面之間發(fā)生劇烈摩擦,金屬表面層經(jīng)歷塑性變形和斷裂,涂層刀具的作用機(jī)理需從基礎(chǔ)接觸變形研究[168]。目前涂層的力學(xué)(硬度、彈性模量、高溫硬度等)和物理化學(xué)性質(zhì)(熱導(dǎo)率、高溫氧化行為、表面轉(zhuǎn)移膜成分等)如何影響切削摩擦行為和金屬變形區(qū)的壓縮行為等,以及受切削速度的影響等仍不清楚,刀具涂層在切削過程中不同切削條件和參數(shù)、冷卻介質(zhì)等影響下的作用和失效機(jī)理仍缺乏研究。Vereschaka等[169]從基礎(chǔ)接觸變形理論出發(fā),利用界面接觸長度、剪切角、刀-屑摩擦系數(shù)、切屑?jí)嚎s比、切削力大小角度等參數(shù),研究了過渡層、涂層成分和性能對(duì)切削行為的影響,方法可以借鑒。

5 總結(jié)及展望

高速、高精、綠色切削加工的發(fā)展不僅要求刀具涂層具有優(yōu)異的硬度、耐磨性,還需具備良好的韌性及精細(xì)的熱管理。高性能硬質(zhì)涂層的研究也不斷朝著更加復(fù)雜的體系發(fā)展,多元多層多相的設(shè)計(jì)理念受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛采納和研究,過去十年先進(jìn)表征技術(shù)的巨大進(jìn)步使得多功能特性的實(shí)現(xiàn)成為可能,結(jié)合材料計(jì)算方法探究微觀缺陷對(duì)硬質(zhì)涂層性能的作用機(jī)理是目前研究的前沿領(lǐng)域,而涂層性能與切削表現(xiàn)的相關(guān)性依然是研究的難點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)新一代硬質(zhì)涂層的落地應(yīng)用,需要“沉積裝備—制備技術(shù)—設(shè)計(jì)表征—切削應(yīng)用”的系統(tǒng)性研發(fā)。國內(nèi)PVD刀具涂層行業(yè)正經(jīng)歷從依賴進(jìn)口到全面國產(chǎn)替代的過程,近年來國產(chǎn)PVD裝備取得了長足進(jìn)步,但在技術(shù)細(xì)節(jié)和應(yīng)用穩(wěn)定性上還與國際領(lǐng)先品牌存在一定差距,未來發(fā)展的著力點(diǎn)包括:涂層裝備與沉積技術(shù)的一體化封裝,涂層結(jié)構(gòu)性能的底層設(shè)計(jì)邏輯,涂層性能與切削摩擦磨損的作用關(guān)系。

猜你喜歡
靶材磁控濺射刀具
熱壓法制備二硫化鉬陶瓷靶材工藝研究
退火工藝對(duì)WTi10靶材組織及純度的影響
玻璃磨邊機(jī)改造成氧化銦錫靶材磨邊機(jī)的研究
C/C復(fù)合材料表面磁控濺射ZrN薄膜
無織構(gòu)刀具與織構(gòu)刀具銑削性能對(duì)比研究
風(fēng)雨后見彩虹
復(fù)雜腔體件表面磁控濺射鍍膜關(guān)鍵技術(shù)的研究
切削刀具刃口形貌對(duì)刀具使用壽命的影響
多功能刀具
微波介質(zhì)陶瓷諧振器磁控濺射金屬化
台北县| 许昌市| 乐山市| 宜章县| 连云港市| 通城县| 准格尔旗| 宜州市| 桃园县| 永和县| 湖北省| 新乡市| 新丰县| 江达县| 大名县| 徐州市| 威海市| 克什克腾旗| 永嘉县| 巴林右旗| 财经| 德阳市| 兴仁县| 鹤峰县| 巴彦县| 浦东新区| 临汾市| 黑水县| 灌云县| 五家渠市| 华蓥市| 郓城县| 凤冈县| 五峰| 烟台市| 镇雄县| 历史| 温宿县| 荣昌县| 文昌市| 赣榆县|