刀具涂層材料的最新研究進展

范其香，林靜，王鐵鋼

專題——高速加工刀具涂層技術

刀具涂層材料的最新研究進展

范其香，林靜，王鐵鋼

（天津職業技術師范大學 天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222）

隨著難加工材料和綠色干切削等先進加工技術的開發與廣泛應用，刀具切削環境日益嚴苛，刀具涂層材料不斷更新換代。涂層材料已由最初的二元涂層逐漸發展成三元及多元涂層，結構由單層逐漸向多層、梯度、復合結構轉變。首先總結了幾種常用二元涂層的性能和特點。再以Ti基和Cr基三元及多元涂層為例，闡述了摻雜元素對涂層微觀結構和性能的影響及強化機制，分析了多元涂層的研究現狀和面臨的難題，以及多種摻雜元素的協同作用機制。還討論了納米晶/非晶復合結構涂層、納米多層涂層以及梯度涂層的結構優勢及研究現狀，介紹了金剛石、類金剛石和立方氮化硼三種超硬涂層以及具有低摩擦因數軟涂層的特點和研究進展。最后介紹了近幾年研究的熱點涂層（如高熵合金涂層、含氧涂層和多元多層復合涂層）的研究現狀，并對刀具涂層的未來發展方向進行了展望。

刀具涂層；納米復合涂層；多層涂層；梯度涂層；高熵合金涂層

隨著高強鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金、鈦合金等難加工材料的廣泛應用，以及高速切削、強力切削和干切削等技術的迅速發展，作為切削加工過程中的核心部件—刀具的工作環境日益苛刻[1]。其切削刃需承受高溫（300～1200 ℃）、高壓（100～10 000 N/mm2）、高速（1～30 m/s）和大應變率（103～107s?1），這要求其既要有高的硬度和抗磨損性能，又要有高的強度和韌性[2]。而材料的韌性與硬度通常是相互矛盾的，采用涂層技術是解決這一矛盾的方案之一。

刀具涂層是在強度和韌性較好的硬質合金或高速鋼刀具表面（也可涂覆陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料），利用氣相沉積法涂覆一層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物。涂層作為化學屏障和熱屏障，避免了刀具與工件之間的直接接觸，減少了刀具與工件之間的互擴散，從而提升刀具的抗氧化性能、抗粘接性能和抗磨粒磨損性能，達到提升刀具使用壽命、切削效率和工件表面質量的目的[3-4]。此外，刀具涂層還具有較好的通用性，一種涂層刀具可以代替數種非涂層刀具，使用范圍廣泛。

隨著人類對資源和環境保護的日益重視，綠色干切削加工技術逐漸引起研究者的廣泛關注。但干切削時不使用切削液，刀具與工件直接接觸，擠壓摩擦劇烈，切削溫度和切削力急劇增加，刀具磨損加劇。干切削高溫合金或鈦合金等難加工材料時，切削溫度甚至可達1000 ℃以上，這要求刀具涂層既要有高的紅硬性、耐磨性，還要具有優異的抗高溫氧化性能，傳統的涂層材料已達不到使用要求。各國不斷加強對刀具涂層材料及其制備技術的研究，拓寬涂層刀具在干式切削加工等先進加工技術中的應用[5-6]。本文歸納并詳細介紹了常用的刀具涂層材料，闡述了各種涂層材料的特點和研究進展。

1 涂層材料

目前，刀具涂層材料主要是一些具有較高耐磨性能的化合物，如氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、硅化物、硫化物、硼化物、金剛石等[7]。涂層材料按照化學鍵的特征可分成金屬鍵型、共價鍵型和離子鍵型。金屬鍵型涂層材料的熔點高、脆性低，具有良好的綜合性能，如TiN、VC、ZrC、WC等；共價鍵型涂層材料的硬度比較高，化學穩定性好，如B4C、SiC、c-BN、Si3N4等；而離子鍵型涂層材料的化學穩定性好、脆性大、硬度相對來說不太高，如Al2O3、TiO2等。有時一種涂層材料中含有多種化學鍵，如TiC中同時有金屬性、離子性和共價性化學鍵，但以共價鍵為主，其次為離子鍵和金屬鍵?；瘜W鍵的種類決定了材料的硬度、熔點以及化學穩定性[8]。

為滿足各種切削加工工藝的要求，涂層成分逐漸多元化，最早使用的簡單二元涂層逐步發展為三元或多元涂層；涂層結構也逐漸復雜化，由單層逐漸向多層、梯度、納米復合結構轉變。具有超高硬度的金剛石涂層、類金剛石涂層、立方氮化硼涂層以及具有潤滑作用的軟涂層（MoS2、WS2），也得到廣泛的研究，以期獲得或擴大工業應用規模。近年來，高熵合金涂層因比傳統合金具有更高的硬度、強度、耐磨性、耐腐蝕性和高溫性能，與有氧涂層、多元多層涂層成為刀具涂層領域的研究熱點。

2 涂層組元分類

涂層發展初期為簡單的二元涂層。隨著切削加工技術的發展和難加工材料增多，逐漸出現了三元涂層、四元涂層及多元涂層。

2.1 二元涂層

常見的二元涂層材料的種類及其特點如表1所示。這些涂層材料具有硬度高、耐磨性好、摩擦因數低或高溫化學性能穩定等特征，廣泛應用于切削刀具表面。

TiN是早期開發的二元涂層之一，也是PVD技術最早產業化并應用于刀具上的涂層材料。TiN具有NaCl型晶體結構，室溫硬度為2100～2300HV，具有較小的摩擦因數和良好的抗粘著磨損性能。TiN刀具切削鋼材時不易粘刀，可以大幅度降低刀具與工件之間的摩擦因數，提升刀具的切削性能。但是TiN的抗氧化性能比較差，切削溫度超過500 ℃時，涂層就會發生明顯的氧化而被燒蝕，導致刀具硬度降低，磨損嚴重，限制其在嚴苛的加工工況中使用。TiN涂層由于其制備工藝簡單、成熟，目前仍是廣泛應用的涂層材料之一。

表1 常用的二元涂層材料及其特點

Tab.1 Commonly used binary coating materials and their characteristics

TiC也是早期應用的二元涂層之一，其比TiN具有更高的硬度，硬度可達2500～4200HV，是一種高硬度耐磨化合物。TiC涂層在切削過程中，C元素可起到潤滑作用，降低刀具與工件材料之間的摩擦因數，具有較好的抗后刀面磨損和抗月牙洼磨損能力[9-10]。但TiC涂層的脆性大，韌性和抗彎強度低，一般適用于摩擦劇烈及連續切削加工的工況中。

CrN也是一種應用廣泛的二元化合物涂層。CrN涂層具有較高的硬度，約為1750～2200HV[11-12]，還具有良好的耐磨性、低的內應力和穩定的化學性質，其氧化溫度可達700 ℃[13]，可應用于腐蝕性或高速、高溫循環摩擦狀態等工況中，提高刀具的使用壽命[11,14]。

Al2O3涂層具有很好的高溫熱穩定性、紅硬性、耐磨性，硬度可達2700HV，可應用于高速干切削領域，提高刀具的切削性能。但是單相Al2O3涂層具有一定的脆性，其與基體金屬材料的熱膨脹系數差異較大，在大載荷或沖擊力作用下，容易產生裂紋[15]，而且其抗熱震性差，不能承受環境溫度的突然變化。因而Al2O3涂層通常作為雙層涂層或多層涂層的表層，如TiCN/Al2O3，起到熱屏障的作用，有利于提升刀具的切削速度，提高切削加工效率。

2.2 三元涂層

三元涂層是在二元涂層（如TiN、CrN等）中摻雜Al、Zr、Cu、Ni、Y、Hf或C等元素，通過固溶強化或細晶強化效應，提升涂層的硬度、韌性、耐磨性和抗高溫氧化性能，改善刀具的切削性能。常用的三元涂層有TiAlN（AlTiN）、CrAlN（AlCrN）、TiCN等。

TiAlN涂層是目前廣泛應用的工具模具硬質涂層之一，其具有良好的硬度、耐磨性、化學穩定性和抗高溫氧化性能。常用的TiAlN涂層為Al原子固溶于fcc-TiN相中的三元固溶體，Al固溶于TiN相中取代Ti原子的位置，產生晶格畸變，引入部分應力，起到固溶強化的效果[16]。另外，Al的原子半徑（0.143 nm）小于Ti的原子半徑（0.146 nm）[17-18]，Al固溶于TiN相中也可起到細化晶粒的作用，因而TiAlN涂層比TiN涂層具有更高的硬度。鄒雪倩等[19]采用離子束輔助真空脈沖過濾弧離子鍍技術制備的TiAlN涂層的硬度高達35.2 GPa，大大高于TiN涂層的硬度24.1 GPa。當TiAlN涂層中的Al原子數分數超過50%時，表面可生成以Al2O3為主的氧化膜，阻礙外界有害元素向涂層內部擴散，降低氧化速率，提高涂層的抗高溫氧化性能[20]。研究表明：TiAlN涂層中的Al含量越高，涂層的抗氧化性能越好。杜日昇[21]研究了Al原子數分數分別為0%、33%、50%、67%的TiAlN涂層的性能。結果表明：隨著TiAlN涂層中Al含量的增加，硬度由2300HV增加到3100HV，氧化溫度由550 ℃提升到850 ℃。徐銀超等[22]對比了TiN和TiAlN涂層刀具的切削性能，發現在160 m/min和280 m/min切削速率下，TiAlN涂層刀具的壽命分別約為TiN涂層刀具壽命的2倍和2.5倍，并且隨著切削速率的增加，TiAlN涂層刀具的切削性能優勢更加明顯。TiAlN涂層具有優異的力學性能和抗高溫氧化性能，可應用于干式或半干式切削加工刀具上。

CrAlN涂層是在CrN中摻雜Al，通過固溶強化和細晶強化效應來提高涂層的硬度、耐磨性和抗高溫氧化性能。與TiAlN涂層相比，CrAlN涂層具有更好的抗高溫氧化性能，廣泛應用于模具加工等機械制造領域[23]。Al含量對CrAlN涂層的性能有很大的影響。Ding等[24]研究發現隨著Al含量的增加，CrAlN涂層硬度先增大后減小，當Al原子數分數為63%時，硬度達到最高值40 GPa。Reiter等[25]采用陰極電弧蒸發技術在鋼基體上沉積AlCrN涂層，發現Al原子數分數為71%時，涂層具有最優的抗摩擦磨損性能、高溫紅硬性、抗高溫氧化性能以及最長的切削壽命，如圖1所示。由于Al2O3的吉布斯自由能比Cr2O3的吉布斯自由能低，在高溫下更穩定，同時Al2O3的PBR值低于Cr2O3的PBR值，有助于降低氧化膜與涂層之間的殘余應力，因而提升Al含量有利于提高涂層的抗高溫氧化性能。但當Al含量過高時，涂層中出現hcp-AlN相，涂層的硬度降低。Al在fcc-CrN相中的理論臨界固溶度約為77%[26]，而不同文獻中報道的Al實際固溶度即出現hcp-AlN的臨界Al含量各不相同。Reiter等[25]發現當CrAlN涂層中Al原子數分數超過71%時，涂層由面心立方結構向纖鋅礦六方結構轉變。Sugishima等[27]采用磁控濺射在石英玻璃上制備了AlCrN涂層，發現涂層中Al原子數分數高達75%時才出現hcp-AlN相，與理論值較接近。也有文獻顯示，在CrAlN涂層中，Al原子數分數不足50%時，即出現了hcp-AlN相[26]。Al的實際臨界固溶度與制備技術和工藝參數息息相關，目前還未有研究系統報道Al在CrN相中固溶度的影響因素及其作用規律。盡管CrAlN涂層在工業中有了很好的應用，但依然有研究者開展相關研究。

圖1 （a）不同Al含量的Al1?xCrxN涂層的硬度和磨損率，（b）硬度-退火溫度曲線，（c）氧化膜厚度-氧化溫度曲線，（d）刀具壽命[25]

TiCN也是工業中應用比較廣泛的一種三元涂層，其綜合了TiN和TiC的優點。與TiN相比，其具有更高的硬度和耐磨性，而與TiC相比，其具有更好的韌性，廣泛應用于有色金屬合金加工工況中。周等[28]采用離子鍍方法制備了TiCN涂層，其硬度為34.6 GPa，遠高于TiN涂層的硬度25.1 GPa。這是因為添加C元素后，TiN晶格中的N原子部分被C原子替代，形成Ti(C,N)固溶體。另外，在切削過程中，C可以從TiCN中析出起到固體潤滑的作用，降低刀具與工件之間的摩擦，減輕刀具磨損。TiCN涂層刀具比TiN和TiC涂層刀具具有更好的切削性能。

2.3 四元及多元涂層

為進一步提升涂層的綜合性能，利用多種元素協同作用的四元及多元涂層（如TiAlSiN、CrAlSiN、TiAlCN、AlTiYN、AlTiSiYN等）也得到研究者的廣泛關注。TiAlSiN和CrAlSiN涂層是廣泛研究的四元涂層，其具有納米復合結構。TiAlCN涂層通過摻雜Al和C元素同時提高涂層的抗高溫氧化性能和耐磨性能。在TiAlCN涂層中，Al元素可以和氧原子結合生成Al2O3，阻止O向涂層內部擴散，提高涂層的抗高溫氧化性能；而C原子則以晶態化合物或無定形碳的形式存在于TiAlCN涂層中，提升涂層的抗摩擦磨損性能[29]。Zhang等[30]采用脈沖激光沉積（PLD）技術制備TiAlCN涂層，其由fcc-TiN和hcp-AlN相組成，硬度高達38.5 GPa，摩擦因數低至0.2。C含量對TiAlCN涂層的結構和性能起著重要作用。Choe等[31]采用ICP輔助濺射技術沉積TiAlCN涂層，研究表明：C原子數分數從24%提高到64%時，TiAlCN涂層的摩擦因數從0.657減少到0.145，耐磨性能大幅度提高。Chen等[32]采用電弧離子鍍技術制備了不同C含量的AlTiCN涂層，當C原子數分數為0.2%時，表現出最佳的耐磨性能和切削性能。

多元涂層AlTiYN則是通過在CrN中同時加入Al和稀土元素Y，來提高其抗氧化性能和抗磨減摩性能。Al摻雜到CrN中，發生晶格畸變，起到固溶強化作用，可有效提高涂層的硬度和抗高溫氧化性能。稀土元素Y可細化晶粒，減少組織孔洞缺陷，使涂層更致密，從而提升涂層的結合強度和抗磨減摩性能。莫錦君等[33]在硬質合金表面沉積AlTiN和AlTiYN涂層，研究發現添加Y元素后，AlTiYN涂層晶粒得到細化，組織結構更致密，硬度、韌性、結合強度和抗高溫氧化性能顯著提升；在AlTiYN涂層中進一步摻雜Si元素后，進一步提升了抗高溫氧化性能和紅硬性，切削SKD11模具鋼時，AlTiSiYN涂層刀具具有最長的切削壽命，如圖2所示[34]。

圖2 （a）AlTiN、AlTiSiN和AlTiSiYN涂層的熱重曲線，（b）AlTiSiN和AlTiSiYN涂層高溫退火后的納米硬度，（c）無涂層刀具及AlTiN、AlTiSiN和AlTiSiYN涂層刀具切削長度與刀具磨損量關系[34]

摻雜元素的種類、數量、存在形式、鍵合價態以及相互之間的協同作用方式，對涂層的微觀結構與性能具有重要影響。因而多元涂層的成分選擇、設計與組分調控，以及摻雜元素的協同作用機制是多元涂層研究的重要內容，也是制備出高性能多元涂層的關鍵。多元化是刀具涂層的發展趨勢之一，也是提升涂層綜合性能的重要手段。多元涂層獲得研究者的廣泛青睞，但影響其性能的因素較多，因而目前在刀具上的實際應用不如二元涂層和三元涂層廣泛。

3 涂層結構分類

隨著涂層成分逐漸豐富，涂層的結構也在不斷發展。涂層發展初期以單層涂層為主，逐漸衍生出多層涂層、納米多層涂層、納米復合涂層和梯度涂層。涂層的結構示意圖如圖3所示。

圖3 涂層結構示意圖

3.1 單層涂層

單層涂層即在基體上鍍覆一層單一成分的涂層，其制備工藝簡單，能夠滿足一般切削工藝的使用要求，在市場上仍有一定的應用。但單層涂層與基體成分和微觀結構存在較大差異，殘余應力大，結合強度較低。為提高結合力，通常會在涂層與基體之間涂覆一層幾十納米到幾百納米厚的金屬過渡層或氮化物過渡層，如TiN和CrN。

3.2 多層涂層

多層涂層是由兩種及以上不同材料相互交替生長而形成的多層結構涂層。多層涂層可綜合各層的優點，同時通過合理設計多層結構還有助于減小涂層內部應力，提高膜基結合強度。Shi等[35]采用電弧離子鍍技術制備了具有不同調制周期（=440、590、860、1800、3520 nm）的CrN/Cr2O3多層涂層，綜合利用CrN層良好的韌性和Cr2O3層高的硬度與化學穩定性。研究表明：當調制周期為590 nm時，涂層的硬度高達3634 kg/mm2，與基體的結合力高達65 N，磨損率低至5.4×10?7mm3/(N·m)，具有優異的力學性能和抗摩擦磨損性能。與單層涂層相比，多層涂層還可有效地改善涂層組織結構，抑制粗大晶粒的生長，同時提高涂層的硬度和抗裂性。謝仕芳等[36]采用電弧離子鍍制備TiN/TiC多層涂層，硬度為20.6 GPa，遠高于TiC單層涂層的硬度14 GPa。Shuai等[37]采用電弧離子鍍制備了TiAlN涂層和Ti/TiAlN多層涂層，研究發現Ti/TiAlN多層涂層比TiAlN涂層具有更優異的耐磨性、抗裂性、斷裂韌性和更低的殘余應力，這是因為多層涂層中，韌性較好的Ti層可協調變形并增強基體與TiAlN層之間的結合力，阻礙裂紋擴展，從而提高涂層的抗裂性。Li等[38]通過調控基體偏壓制備了具有低硬度和高硬度的AlTiSiN涂層（Coating A和Coating B），并將兩者組合成雙層、四層、八層TiAlSiN涂層，研究發現：采用多層結構有助于提高涂層的韌性，延長刀具的使用壽命，如圖4所示。

當多層涂層每層厚度為納米數量級時，被稱為納米多層涂層，又被稱為超晶格涂層。常見的納米多層涂層有TiN/VN、TiAlN/TiN、TiN/AlN、CrN/AlN、TiN/TaN、TiN/NbN等。若控制好調制周期和調制比，納米層間可保持共格關系，而由于納米層間晶格常數不同和剪切模量差，界面處發生共格畸變，產生較大的拉壓交變應力場，阻礙位錯移動，使涂層具有超高硬度。另外，納米多層涂層中存在大量垂直于柱狀晶生長方向的共格界面，高溫下可以阻礙元素擴散，提高涂層的高溫熱穩定性和抗高溫氧化性能[39]。納米超晶格涂層因其具有超模量和超硬度效應以及良好的高溫熱性能，而成為刀具涂層的研究熱點。目前，解釋納米多層涂層超硬和超模量效應的常用機理主要有Hall-Petch細晶強化理論、共格協調應變理論和模量差理論。

圖4 不同TiAlSiN多層涂層的切削長度和H3/E*2值[38]（Coating A代表低偏壓下制備的低硬度TiAlSiN涂層，Coating B代表高偏壓下制備的高硬度TiAlSiN涂層，Multilayer-2代表A+B，Multilayer-4代表A+B+A+B，Multilayer-8代表A+B+A+B+ A+B+A+B）[38]

納米多層涂層的微觀組織結構和機械性能受調制周期及各納米層厚度的影響很大。胡春華等[40]采用多靶反應磁控濺射技術制備了一系列不同調制周期和調制比的TiAlN/TiN 納米多層涂層，研究表明：在一定的調制周期下，TiN層和TiAlN層能形成共格外延生長結構，多層膜呈現硬度異常升高的超硬效應；當TiN層的厚度約為1.6 nm時，多層膜的硬度達到最大值50 GPa，同時比TiAlN單層涂層具有更低的摩擦因數。Fallmanna等[41]利用非平衡磁控濺射技術分別在Si、MgO和Al2O3基體上制備TiN/AlN超晶格涂層，研究表明：基體、調制周期以及AlN層厚度對涂層微觀組織結構和力學性能具有很大的影響；當調制周期為2.5 nm、AlN層厚度為0.9 nm時，在MgO基體上制備的TiN/AlN超晶格涂層為面心立方結構，AlN層沿TiN層外延生長，表現出最高的硬度值（37.5 GPa）和最佳的斷裂韌性。Zeng等[42]采用磁控濺射技術制備了TiN/AlN超晶格涂層，結果表明：當AlN層的厚度為1 nm時，TiN/AlN涂層在1000 ℃保溫540 min后，涂層依然為面向立方相結構，納米層間界面清晰（如圖5所示），表現出很高的高溫熱穩定性，這是因為納米層間的共格界面阻礙fcc-AlN→hcp-AlN相轉變。

圖5 TiN/AlN納米多層涂層在1000 ℃保溫540 min后的TEM微觀形貌[42]

3.3 納米復合涂層

納米復合涂層是由兩種或兩種以上成分或結構不同的相形成的涂層。納米復合涂層主要分為三類：（1）nc-陶瓷/a-陶瓷復合涂層，如nc-TiN/a-Si3N4、nc-ZrN/a-Si3N4、nc-TiAlN/a-AlN等；（2）nc-陶瓷/nc-陶瓷復合涂層，如nc-MeN/nc-C3N4等；（3）nc-陶瓷/金屬復合涂層，如nc-ZrN/Cu、nc-ZrN/Ni、nc-ZrN/Y等?，F在研究和應用較多的納米復合涂層，一般為在傳統的氮化物（TiN、CrN、ZrN、TiAlN、CrAlN等）硬質涂層中，分別加入Si或B元素形成的納米晶與非晶鑲嵌形成的三維網狀結構（nc-MeN/a-Si3N4或nc-MeB2/a-BN），如圖3d所示。在這種三維網絡結構中位錯難以形成，晶粒間的非晶相（Si3N4或BN）能有效阻擋晶界滑移，同時兩相間界面可增強微裂紋擴展阻力，使涂層的硬度和韌性同時得到提高。

這種nc-陶瓷/a-陶瓷復合涂層是德國科學家Veprek等人[43-44]于1994年根據異質超晶格結構具有超硬性提出的一種超硬納米復合涂層設計準則，其制備出的TiN/a-Si3N4和VN/a-Si3N4納米復合涂層的硬度高達5000 kg/mm2，彈性模量高達500 GPa，如圖6所示。隨后，這種具有超硬效應的納米復合涂層受到國內外研究者的廣泛關注。瑞士Platit公司制備出納米TiAlN晶體鑲嵌在非晶態Si3N4內的納米復合涂層，涂層硬度也高達50 GPa[45]。吳雁等[46]采用陰極電弧離子鍍技術制備了TiAlN和TiAlSiN涂層，結果表明：TiAlSiN納米復合涂層的硬度為38.94 GPa，高于AlTiN涂層的硬度29.14 GPa，這主要是因為Si元素與N結合形成非晶相Si3N4，包裹于fcc-(Al,Ti)N晶界處，阻礙晶粒長大，細化涂層晶粒；切削HT200材料時，TiAlSiN涂層刀具比AlTiN涂層刀具具有更低的切削力和更高的切削壽命。Chang等[47]研究發現：干切削Ti-6Al-4V合金時，CrAlSiN和TiAlSiN涂層比TiAlN涂層具有更好的紅硬性以及更長的切削壽命，如圖7所示。

Veprek的納米晶/非晶復合模型在解釋納米復合涂層致硬機理時占主導地位[48]，但是近年來有研究人員[49-50]提出在TiAlSiN涂層中Si3N4相可能晶化，沿(Ti,Al)N相共格外延生長，使涂層呈柱狀晶結構（如圖8所示），兩相間由于晶格錯配和剪切模量差阻礙位錯移動，增強涂層的硬度。目前的研究報道中，TiAlSiN涂層的硬度鮮有達到Veprek最初報道的硬度值，不同文獻中的涂層硬度值差別較大。納米復合涂層的微觀結構和強化、硬化機制還需進一步深入研究，為制備高性能納米復合刀具涂層奠定理論基礎。TiAlSiN以及與其結構類似的CrAlSiN等納米復合涂層，因具有良好的力學性能和抗高溫氧化性能，至今仍是刀具涂層領域的研究熱點，在刀具上也已廣泛應用。

圖6 含Si納米復合涂層的硬度和彈性模量隨Si含量的變化曲線[44]

圖7 未涂層刀具及Ti0.52Al0.48N、Ti0.55Al0.40Si0.05N和Cr0.47Al0.46Si0.07N涂層刀具根據相同的磨鈍標準在不同切削速度下能實現的切削長度[47]

圖8 nc-TiN/c-SiNx結構示意圖[49]

3.4 梯度涂層

梯度涂層成分沿薄膜縱向生長方向逐步發生變化，這種變化可以是化合物各元素比例的變化（如TiAlCN中Ti、Al含量的變化），也可以由一種相結構逐漸過渡到另一種相結構（如N梯度變化的Cr/Cr2N/ CrN涂層），結構示意圖如圖3e所示。梯度涂層能有效地消除涂層與基體之間及涂層內界面的應力集中，顯著增強膜基結合強度，延長刀具的使用壽命。

譚超等[51]采用N2流量循環控制的方法，制備了一種TiAlSiN納米多層梯度涂層，研究表明：多層梯度涂層比TiAlSiN單層涂層具有更高的結合力、韌性和耐磨性能。王立宇等[52]采用等離子注入沉積技術制備了CrAlN納米梯度涂層，結果顯示：CrAlN納米梯度涂層具有優異的納米力學性能，并顯著提高了鎂合金表面的承載能力。梁楊夢甜等[53]采用磁控濺射與電弧離子鍍復合技術制備了CrAlN納米梯度涂層，其具有高的硬度和膜基結合力，以及良好的高溫熱穩定性。Cai等[54]制備了一種Si含量梯度變化（0%-2%- 4%-6%，質量分數）的AlCrSiN涂層，涂層結構從底層到表層逐漸由粗大柱狀晶轉變為細小柱狀晶、納米晶和超細納米晶，具有較高的硬度（33 GPa）和較低的彈性模量（326 GPa），3/2值高達0.34 GPa，與基體具有很好的結合強度，比非梯度AlCrSiN涂層表現出更優的抗摩擦磨損性能和切削性能。Lü等[55]通過磁控濺射技術制備了TiAlSiN梯度涂層，表面質量得到了改善，與非梯度TiAlSiN涂層相比，涂層與基體的結合力提高了300%，達到100 N，硬度保持在非梯度TiAlSiN涂層的70%以上；切削TC4鈦合金時，TiAlSiN梯度涂層后刀面磨損比非梯度TiAlSiN涂層降低了45.6%，切削距離增加了75.4%，如圖9 所示。由此可見，采用梯度結構可以有效提升涂層的韌性和結合力，進而提升涂層的抗剝落能力，改善涂層刀具的抗摩擦磨損性能和切削性能。

圖9 TiAlN、TiAlSiN和梯度TiAlSiN涂層刀具的后刀面磨損帶寬度隨切削長度的變化[55]

4 超硬涂層

4.1 金剛石涂層

金剛石具有硬度高、耐磨性好、導熱系數高、摩擦因數和熱膨脹系數小的優點，是理想的刀具材料，受到刀具領域的廣泛青睞。其既可作為整體的金剛石刀具，也可作為涂層涂覆于具有更高韌性的硬質合金和高速鋼基體上，延長刀具的使用壽命。制備金剛石涂層的主要方法為熱絲CVD法，其次為微波等離子體法和直流等離子噴射法等。盡管金剛石涂層在工業上已有應用，但金剛石與基體的結合力差，使用時易從刀具上剝落失效，這一問題長期沒有得到很好地解決?，F普遍認為金剛石與基體附著力差的原因為：（1）金剛石形核密度低，涂層/基體界面存在大量孔隙；（2）硬質合金和高速鋼中的Co和Fe具有催石墨化作用，抑制金剛石形核生長，界面處存在石墨和非晶碳；（3）金剛石與基體的熱膨脹系數不匹配使涂層內存在較大的殘余應力；（4）金剛石生長過程中形成的缺陷會產生較大的應力[56-57]。

為提升金剛石涂層與基體之間的結合力，一方面，研究者通過脫鈷處理或元素滲透等方法，降低基體表面的Co含量；另一方面，可以通過添加過渡層，來降低基體元素對金剛石沉積過程的影響。He等[58]在金剛石涂層與基體之間添加一層a-SiC過渡層，發現金剛石涂層的結合力得到了很大的提高，同時比無過渡層金剛石涂層具有更優異的耐磨性能。Cui等[59]采用SiO2和SiC非晶過渡層，阻礙了基體Co的催石墨化作用，提高了金剛石與硬質合金基體的結合力，切削ZrO2時，含過渡層的金剛石涂層具有更佳的切削性能。也有研究者通過摻雜元素的方法來改善涂層的結合力和耐磨性。Wang等[60]在金剛石涂層中摻雜Si和B元素，兩種元素均提高了涂層的結合力和耐磨性，切削Al-14%Si合金時，B摻雜金剛石涂層具有最佳的切削性能。

表面粗糙度對金剛石涂層刀具的加工性能也具有重要影響。金剛石涂層經歷了由粗晶金剛石、微晶金剛石，到微米、納米金剛石的研制過程，其晶粒越來越細，涂層越來越薄[61]。通常晶粒尺寸越細的金剛石涂層，其表面粗糙度越小[62]，切削加工時，工件表面的質量越好。目前，按金剛石晶粒尺寸大小常將金剛石分為微米金剛石和納米金剛石。微米金剛石涂層具有高硬度和優異的耐磨性，但由于其具有柱狀晶特征，表面粗糙度大，具有較大的摩擦因數，影響刀具的耐用度和加工精度[63]。拋光可以降低刀具表面粗糙度，但其工藝繁瑣且增加了制造成本，同時可能損傷金剛石涂層。納米金剛石以小晶粒堆積方式生長，晶界密集，由于引入了sp2碳以及其他非金剛石碳，其硬度低于微米金剛石，但具有更加致密的組織結構和更低的表面粗糙度[64]。為綜合利用微米金剛石和納米金剛石的優點，研究者采用納米和微米金剛石復合的雙層或多層結構來提升涂層的綜合性能。一般地，微米金剛石為底層，增強涂層與基體的結合力；納米金剛石作為表層，以提升涂層表面質量，降低摩擦因數[65]。Sun等[66]制備了底層為微米金剛石和表層為納米金剛石的雙層涂層，涂層結合力和表面質量同時得到了提高。Salgueiredo等[67]制備了微米/納米金剛石交替的雙層和多層涂層，結果表明：多層金剛石涂層比單層和雙層金剛石涂層具有更低的表面粗糙度和更高的結合力。Wang等[68]采用熱絲CVD法制備單層納米金剛石和微米金剛石，以及兩者復合的雙層和多層金剛石涂層，發現多層金剛石涂層比雙層和單層金剛石涂層具有更高的結合力和耐蝕性能，PCB鉆削時，多層金剛石涂層刀具壽命是雙層金剛石涂層刀具壽命的2倍；銑削ZrO2陶瓷時，多層金剛石涂層刀具的銑削壽命比單層金剛石涂層刀具提高了3～7.5倍，如圖10所示。

通過工藝調整、過渡層設計、元素摻雜和多層結構設計等方法，金剛石涂層與基體的結合力和表面質量有了很大的提升。我國金剛石涂層基礎與應用基礎研究方面已取得較大的進展，但目前金剛石涂層刀具市場依然是國外品牌處于壟斷地位，還需要借鑒國外經驗，同時加強技術自主創新，逐步擺脫國外壟斷的局面。

4.2 類金剛石涂層

類金剛石（Diamond-like carbon coating，DLC）涂層是一種包含sp1、sp2和sp3鍵的非晶碳膜。它性質類似于金剛石，承接了金剛石高硬度和高耐磨的特點，但又具有高的電阻率，良好的光學性能和優異的自潤滑特性，廣泛應用于機械加工、微電子、生物醫療等領域。DLC膜比金剛石涂層在制備方面具有更大的優勢，可采用PVD、CVD和液相電化學沉積法等方法制備，實現了低溫沉積以及大面積膜厚可控制備[69]。近20年來，DLC涂層得到了廣泛研究，在工業上也獲得了應用。

與金剛石涂層類似，在制備過程中DLC涂層內會產生較大的應力導致膜基結合力差。針對這個問題，研究者開展了大量的研究，采取的措施主要包括：（1）工藝優化，選擇合適的制備方法以及工藝參數，如偏壓、沉積氣壓等；（2）采用化學或物理方法對基體表面進行處理，增強機械鎖合效應，降低基體表面的Co含量；（3）在基體與涂層之間施加過渡層，如Ti、Cr、TiC等，降低熱膨脹系數差異；（4）摻雜單一元素或雙元素（金屬Ti、Cr、Zr、Al等或非金屬元素N、B、S、O、F等）。

圖10 （a）微米金剛石涂層（MCD），（b）納米金剛石涂層（NCD），（c）微/納米雙層復合金剛石涂層（MNCD），（d）納/微米雙層復合金剛石涂層（NMCD），（e）微/納米多層復合金剛石涂層（MNMN-CD），（f）納/微米多層復合金剛石涂層（NMNM-CD）的截面形貌，（g）對應的涂層銑刀后刀面磨損帶寬度隨切削時間的變化[68]

另外，DLC涂層的高溫熱穩定性較低，其在高溫下會發生sp3鍵向sp2鍵轉變，sp2鍵發生團束化的結構相變，導致其力學性能降低甚至失效[70]。含氫DLC涂層受熱時，C—H鍵斷裂以及游離H可以誘導加速涂層石墨化轉變，因而其比無氫DLC涂層具有更低的高溫熱穩定性。在DLC涂層中，sp3鍵含量越高，其高溫熱穩定性越好，調整工藝參數制備出高sp3鍵含量的DLC涂層是改善其熱穩定性的方法之一。此外，摻雜非金屬元素（如Si、N、F）和金屬元素（Ti、Mo、W），也是改善DLC涂層熱穩定性的有效方法[71]。Rouhani等[72]通過在含氫DLC涂層中添加Si元素，使涂層在650 ℃依然保持穩定性。Peng等[73]制備Si/O/N三元摻雜DLC涂層，其比Si/O二元摻雜DLC涂層具有更高的熱穩定性，在500 ℃退火后，硬度依然為16.5 GPa。

類金剛石涂層在刀具、模具等領域已有應用，但制備出低應力、高熱穩定性的大厚度DLC涂層以及大面積高沉積速率制備DLC涂層的技術，依然是研究者努力的方向，以期在工業中獲得更大規模的應用。

4.3 立方氮化硼涂層

立方氮化硼（cBN）的硬度和熱導率僅次于金剛石，但其比金剛石具有更高的高溫熱穩定性，且對黑色金屬有極為穩定的化學性能，可廣泛應用于淬硬鋼、軸承鋼、高速鋼等金剛石難以加工的鐵系金屬加工，是目前“以切代磨”的理想刀具之一[74]。形狀簡單的聚晶立方氮化硼刀片在工業上已有應用，但其成本高，能源消耗大，并且難以制備形狀復雜的刀具。而立方氮化硼涂層可涂覆于形狀復雜的硬質合金刀具基體上，延長刀具的使用壽命。近年來，國內外研究者對立方氮化硼涂層展開了大量研究。制備立方氮化硼涂層的方法有PVD和CVD法。但立方氮化硼涂層與基體的結合力差，盡管通過過渡層設計、工藝調整和基體表面處理等方法，可以改善膜基結合力，但目前還處于研究階段，尚未實現工業化應用。

5 軟涂層

“硬”涂層刀具技術相對已經成熟，應用已非常廣泛。但是“硬”涂層刀具的摩擦因數較高，而“軟”涂層則具有非常低的摩擦因數。軟涂層的主要成分是具有較低摩擦因數的固體潤滑材料，在切削過程中，固體潤滑膜會從刀具表面轉移到工件材料表面并形成轉移膜，使摩擦發生在轉移膜與潤滑膜之間，有效減小摩擦，阻止粘接，降低切削溫度和切削力，最終達到減輕刀具磨損和防止積屑瘤產生的目的[75]。常用的軟涂層材料如表2所示，主要有C、MoS2、WS2、CaF2、BN等。

表2 常用的幾種軟涂層材料[76]

Tab.2 Several commonly used soft coating materials[76]

軟涂層有助于阻止粘接，減小摩擦，降低磨損，在干切削加工時有助于延長刀具使用壽命[77]。但是軟涂層硬度低，耐磨性差，單獨使用在刀具上時，作用時間短，很快失去對刀具基體的保護作用；并且在高溫、潮濕環境下，其性能會發生衰減，也限制了其使用范圍。如MoS2在溫度超過400 ℃后開始氧化，生成較硬的MoO3顆粒物，增大摩擦因數，同時環境濕度升高時，摩擦因數也會上升，急劇降低潤滑性能[78]。軟涂層目前在刀具上的實際應用非常少。

軟涂層在刀具涂層領域還處于研究階段。為進一步利用和提高軟涂層低摩擦因數的優勢，一方面，研究者通過摻雜金屬元素或采用微織構來改善軟涂層的承載能力和耐磨性。邢佑強等[79]采用激光加工技術與物理氣相沉積方法，在陶瓷刀具上制備出具有微納米織構的WS2/Zr軟涂層刀具，針對45鋼切削時，其比普通陶瓷刀具具有更低的切削力、切削溫度、摩擦因數和更輕的刀具磨損。另一方面，研究者嘗試將軟涂層與硬涂層結合使用，即在硬涂層表面涂覆一層軟涂層，綜合利用硬涂層的高硬度、高耐磨性能和軟涂層的潤滑性能。孫鴻洋[78]在AlCrSiN硬涂層上涂覆了WS2/Cr軟涂層，減小了切屑粘接，提升了排屑流暢性，延長了刀具使用壽命。鉆削鈦合金時，WS2/Cr- AlCrSiN軟硬復合涂層刀具的壽命為AlCrSiN硬涂層刀具的1.22倍，是無涂層刀具的2.25倍。穆晨亮[80]研究了CrCN-WS2軟硬復合涂層刀具的制備工藝與切削性能，針對鈦合金和碳纖維復合增強材料車削時，CrCN-WS2軟硬復合涂層刀具比CrCN涂層刀具、WS2涂層刀具和無涂層刀具具有更優的切削性能，因其降低了切削力和切削熱，改善了刀具前刀面的粘接狀況。軟涂層刀具從研究到實際應用還有一定的差距，但其優異的減摩性能，使其在干切削加工技術中具有廣泛的應用前景。

6 新型硬質涂層

6.1 高熵合金涂層

20世紀90年代，中國臺灣學者葉均蔚等突破材料設計的傳統觀念，提出并制備了“多元高熵合金”[81]。Yeh等[82]定義高熵合金為包含5種及以上元素，且每種元素的原子數分數為5%～35%的合金。一般地，高熵合金元素個數為5～13。不同于單一主元素的傳統合金，高熵合金為多主元素合金，具有高熵效應、晶格畸變效應、遲滯擴散效應以及“雞尾酒”效應[83]，表現出高硬度、高耐磨性能，以及優異的抗高溫氧化性能和耐蝕性能，在塊體及涂層材料領域引起廣泛關注。

高熵合金一般采用電弧熔煉和鑄造方法制備，由于其包含了昂貴的金屬元素，成本比大多數常規合金要高很多，因而在低成本的金屬基體上制備高性能的高熵合金涂層具有很高的經濟價值[84]。目前，制備高熵合金涂層的方法有磁控濺射、激光熔覆、熱噴涂、電沉積、等離子熔覆等技術。其中磁控濺射技術可以通過改變靶材的化學組成和調整工藝參數，控制化學計量比，同時在沉積過程中摻入反應性氣體，如N2、O2或C2H2，形成高熵合金的氮化物、氧化物或碳化物薄膜，是制備高熵合金涂層常用的方法之一[85]。

高熵合金涂層按照成分組成可以分為兩類：一類為完全由金屬元素組成的純金屬涂層，如AlCoCrFeNi系和NbSiTaTiZr系等；另一類為金屬元素與C、N等非金屬元素形成的氮化物、碳化物等化合物涂層，如AlCrTaTiZrN、TiAlCrSiVN等[86]。Qiu等[87]采用激光熔覆技術在Q235鋼表面制備了AlCoCrCuFeNiTix高熵合金涂層，涂層為單一的體心立方結構（bcc），硬度高達988HV，是基體硬度的4.5倍。Cui等[88]采用激光熔覆技術制備了FeCoCrNiMn和FeCoCrNiMnAl高熵合金涂層，研究發現Al元素使涂層由面心立方（fcc）單相組織轉化為fcc+bcc雙相組織，并細化了晶粒，增大了位錯密度，提升了涂層的抗塑性變形能力，硬度由2.983 GPa提升至4.132 GPa。Bachani等[89]采用脈沖直流磁控濺射技術制備了VNbMoTaWAl高熵合金涂層，涂層硬度最高可達到18.1 GPa，并在0.5 mol/l的H2SO4溶液中具有非常好的耐蝕性能。

與純金屬高熵合金涂層相比，高熵合金氮化物、碳化物等化合物涂層同時含有金屬鍵、離子鍵和共價鍵，具有更高的硬度、高溫熱穩定性、耐磨性和耐蝕性，在刀具涂層領域具有更大的應用潛力。目前，高熵合金化合物涂層中以氮化物涂層研究最為廣泛。沉積過程中，工藝參數（如N2流量、沉積偏壓以及化學成分）對氮化物高熵合金的組織結構和性能具有重要影響。Zhang等[90]采用磁控濺射技術，改變N2流量制備了一系列CrNbTiAlVN涂層，發現N2流量為0 ml/min時，CrNbTiAlV純金屬涂層為非晶結構，硬度為17.46 GPa，而通入N2后，涂層轉變為面心立方結構；當N2流量為38 ml/min（Ar流量為18 ml/min）時涂層具有最高的硬度（49.95 GPa）和最大的結合力（53.35 N），以及最優的抗磨損腐蝕性能，如圖11所示。Zhao等[91]采用磁過濾多弧陰極真空沉積系統制備了AlCrMoSiTiN涂層，隨著N2流量的增加，涂層由非晶結構轉變為fcc面心立方結構，當N=70%時，涂層具有最高的硬度（41.6 GPa），同時具有最低的磨損率和腐蝕電流密度。Zhang等[92]采用射頻磁控濺射技術，改變基體偏壓，制備了一系列的TiVCrNbSiTaBYN高熵合金氮化物涂層，涂層為面心立方相和少量非晶相的混合結構，當偏壓為?150 V時，涂層具有最高的硬度（32.2 GPa）。Zhang等[93]采用磁控濺射技術研究了偏壓對CrNbTiAlVN涂層組織結構、力學性能和抗磨損腐蝕性能的影響，發現當偏壓為?156 V時，涂層具有最高的硬度（35.3 GPa）；而偏壓為?126 V時，涂層具有最好的抗磨損腐蝕性能。Lai等[94]采用射頻磁控濺射技術，在不同偏壓下制備了具有fcc結構（B1-NaCl型）的(AlCrTaTiZr)N涂層，當偏壓為?150 V時，涂層硬度高達36.9 GPa，與基體的結合力為60.7 N，具有低的摩擦因數和磨損率。通過添加Si元素還可形成具有納米復合結構的高熵合金氮化物涂層。Tsai等[95]采用反應射頻磁控濺射技術沉積了具有不同Si含量的(AlCrMoTaTi)SiN涂層，并研究了Si含量對涂層的影響。結果表明：當涂層中摻雜7.5%的Si時，涂層粗大的柱狀晶結構發生細化，表面變得更光滑、致密，涂層硬度由20.7 GPa增加到35.5 GPa。Tsai等[96]進一步研究發現：Si有助于提升涂層的抗高溫氧化性能，因為Si與氧反應生成SiO2相，阻礙了涂層內氮化物氧化，同時促進涂層表層形成具有保護性的雙層氧化膜。

組成高熵合金氮化物涂層的元素可以大致分為兩類，一類為強氮化物元素，如Al、Cr、Nb、Ti、V、Zr、Hf、Mo、Ta等；另一類為非氮化物元素，如Co、Cu、Fe、Ni、Mn等。一般由強氮化物元素組成的高熵合金氮化物涂層具有更高的硬度，而由非氮化物元素組成的氮化物涂層則硬度較低，如圖12所示[97]。若非氮化物形成元素不僅僅是固溶于fcc氮化物相內，而是在氮化物相晶界析出并形成納米復合結構時，也能達到提升硬度的效果。高熵合金涂層成分的設計非常關鍵，但目前非氮化物元素對高熵合金氮化物涂層組織結構和性能的影響機制還不清楚，涂層的設計準則還需完善。此外，工藝參數與高性能高熵合金涂層微觀組織結構和性能的相互關系，還需要進行深入研究。

Fig.11 （a）不同N2流量下制備的(CrNbTiAlV)Nx涂層的XRD衍射圖譜，（b）涂層硬度和彈性模量[90]

圖12 高熵合金涂層以及其他超硬涂層的硬度和彈性模量[97]

通過合理的成分和工藝設計，可以獲得超硬高熵合金涂層，應用在刀具上將有效提升刀具的耐磨性，延長刀具的使用壽命，其在刀具涂層領域具有很好的應用潛力。但目前高熵合金涂層仍處于研究階段，高熵合金涂層的相關理論基礎還需進一步研究。另外，關于高熵合金刀具涂層的研究還鮮有報道，涂層的切削性能與失效機理還需要進行深入探索，高熵合金涂層在刀具上實現工業化應用還有一段距離。

6.2 含氧涂層

在PVD涂層沉積過程中，涂層中常常會存在一定的雜質元素，如氧。Veprek等[98]認為涂層中殘留的氧對納米復合涂層的硬度影響巨大，只有當TiSiN涂層中氧原子數分數小于0.01%時，才能實現他們最初報道的超高硬度，而涂層中氧原子數分數超過1%時，硬度則下降為30～35 GPa，這是因為氧的高電負性使其弱化涂層中Si—N鍵，甚至Ti—N化學鍵。而Lee等[99]制備并研究了不同O含量的Cr-Si-O-N涂層，發現隨著涂層中O含量的增加，硬度先增大后減小，當O原子數分數為16%時，涂層具有最高硬度，高達50 GPa。近年來，含氧涂層獲得越來越多研究者的關注與研究。

Warcholinski等[100]采用電弧等離子熔覆系統，選取O2/(N2+O2)流量百分比為0%、5%、20%、50%，制備了不同的Cr-O-N涂層，發現由于O可以替代CrN中N的位置，增大了涂層內的殘余應力，減小了晶粒尺寸，使涂層硬度隨著N2/(N2+O2)比值逐漸升高后穩定在30 GPa左右；但O增大了涂層的脆性，導致膜基結合力從100 N逐漸降低至60 N；隨著O流量的增大，涂層的耐磨性增強，這是因為Cr的氧化物相具有低剪切力，可以降低摩擦因數，增強涂層的抗摩擦磨損性能。Du等[101]也發現在Cr-O-N1?x（0≤≤1）涂層中，隨著O含量的升高，涂層硬度從16.9 GPa（CrN涂層）升高至28.6 GPa（Cr2O3涂層）；涂層中的O可以阻止Cr—N鍵分解，增強涂層的高溫熱穩定性。Liu等[102]研究了O對CrAlN涂層組織結構與性能的影響，發現摻雜適量的O使涂層形成fcc-(Cr,Al)(O+N)固溶相結構，在高溫下可阻止Cr—N鍵分解和w-AlN相形成，高溫退火后，涂層依然保持高硬度，同時在高溫氧化環境中促進涂層表面形成保護性的富Al氧化膜，提升涂層的抗高溫氧化性能。Cao等[103]制備了AlCrN和AlCrON雙層涂層，表層AlCrON涂層中的O質量分數為0%～8.8%，研究表明：隨著O含量的增加，固溶強化作用增強，硬度逐漸增加，最高硬度為4456HK；當O質量分數為4.4%時，涂層具有低表面粗糙度和磨損率，切削20CrMo合金時，在不同切削參數下，均具有最長的切削壽命，如圖13所示。

Geng等[104]研究了O含量對AlCrSiN涂層組織結構和性能的影響，結果表明：隨著涂層中O原子數分數從0%增大到48%時，涂層由fcc-AlN和fcc-CrN雙相結構轉變為fcc-(Cr,Al)N單相結構，再轉變為fcc-(Cr,Al)N和fcc-(Cr,Al)(O,N)雙相結構，Si以非晶相存在；隨著O含量的增加，涂層中氧化物增多，本征壓應力松弛，硬度逐漸降低。但摩擦磨損實驗表明，AlCrSiN涂層中摻雜16%以下的O時，涂層的磨損率顯著降低，比AlCrSiN和高O含量的AlCrSiN涂層表現出更優的耐磨性能。Karimi等[105]研究了一系列具有不同O含量的AlCrSiON涂層，隨著涂層中O含量的增加，涂層相結構由氮化物先轉變為非晶相，再轉變為氧化相，隨之涂層的硬度先由30～33 GPa下降至12～13 GPa，再升高至20～25 GPa。

由此可見，若對涂層中的氧加以合理利用，有望進一步提升涂層的綜合性能。關于O對涂層微觀結構和力學性能的影響規律，不同研究者報道的結果還有差異，這可能與制備技術和工藝參數的選取，以及涂層體系有關，還需進一步探索O對不同涂層體系微觀結構、力學性能、摩擦性能、高溫熱穩定性和切削性能的影響規律及作用機制，為含氧涂層優化設計奠定理論基礎。此外，與其他涂層材料組成多層涂層，綜合各層的性能優勢，也是含氧涂層的發展方向之一。Balzers公司推出的AlCrN/AlCrO多層涂層，應用于齒輪滾刀上，在行業內占有絕對優勢。

Fig.13 不同O含量的AlCrON涂層刀具在不同切削參數下的切削壽命曲線[103]

6.3 多元多層復合涂層

在3.2節中已介紹：采用多層結構可以利用各層的性能優勢，提升涂層的綜合性能，若能形成納米超晶格結構時，還可以獲得超硬和超模量效應。以往研究的多層硬質涂層大多為一元/二元組分（如Ti/TiN、Cr/CrN等）、二元/二元組分（如TiN/CrN、TiN/AlN等）或三元/二元組分（如TiAlN/CrN、TiAlN/ZrN等）。近年來，研究者開始開展三元、四元以及多元涂層組成的多層涂層研究，以期利用多層結構進一步提升涂層的硬度、耐磨性和抗高溫氧化性能。王澤松等[106]采用陰極多弧離子鍍技術制備了TiBN/TiAlSiN納米多層涂層，研究結果發現，TiBN/TiAlSiN納米多層涂層的硬度最高可達38 GPa，比TiBN和TiAlSiN單層涂層具有更高的硬度和更低的摩擦因數與磨損率，如圖14所示。He等[107]利用多層涂層的模板效應，使CrAlSiN沿CrAlN外延生長，保持面心立方結構，阻止hcp-AlN形成，通過控制調制周期，fcc-CrAlSiN/ CrAlN涂層的硬度最高可達33 GPa。李娜等[108]采用多弧離子鍍技術，改變轉速，制備了不同調制周期的CrAlSiN/TiAlSiN多元多層復合涂層，當轉速為6 r/min時，涂層具有最大的硬度（38 GPa）和最小的摩擦因數（0.375）。Liu等[109]采用電弧離子鍍技術制備AlTiSiN/AlCrSiN納米多層涂層，涂層的最高硬度為31.6 GPa，摩擦因數最低為0.26，磨損率低至8.3× 10?7mm3/(N·m)。Zhang等[110]設計并制備了AlTiN/ AlCrSiN納米多層涂層，該涂層利用AlTiN層阻止AlCrSiN層中的hcp-AlN相析出，而AlCrSiN層能改善AlTiN層的抗高溫氧化性能。研究結果表明：AlTiN/AlCrSiN納米多層涂層為單一的面心立方結構，比AlTiN涂層具有更優的抗高溫氧化性能，干切削SKD11合金時，具有更長的切削壽命。

圖14 TiBN涂層、TiAlSiN涂層及不同沉積壓強下制備的TiBN/TiAlSiN涂層的硬度和彈性模量及摩擦因數和磨損率[106]

多元多層復合涂層中，各層本身具有優異的機械性能，通過多層結構可綜合各層的性能優勢以及多層結構優勢，進一步提升力學性能、抗高溫氧化性能和耐磨性能，在難加工材料高速干切削加工領域具有非常好的應用前景。但依然有許多問題需要進行深入的研究和探討，如具有非晶/納米結構復合涂層與其他涂層形成多層結構時，非晶相的存在方式、尺寸大小、數量等是否會發生變化，高溫下多層涂層界面、各層內組織演變過程及其對性能的影響機制等。此外，多元多層涂層成分多樣，結構復雜，其工藝穩定性以及制備成本也需要考慮。

7 結語與展望

隨著機械制造業的發展，各種難加工材料和先進加工技術應用日益廣泛，對刀具的韌性、硬度、耐磨性和高溫熱穩定性等有了更高的要求。為滿足不斷嚴苛的加工工況，刀具涂層材料的種類、成分和結構都得到了很大的發展，主要體現在以下幾個方面：

1）涂層成分由二元體系逐步發展為三元及多元體系。三元及多元體系通過摻雜元素的固溶強化、細晶強化作用，以及多種元素的協同作用，顯著提升了涂層的綜合性能。具有5種及以上元素的高熵合金及其化合物涂層，因具有獨特的特征和優異的力學性能，而成為刀具涂層的研究熱點之一。

2）涂層結構由單層逐漸向多層、納米復合、梯度等復雜結構轉變。納米多層結構和納米復合結構，利用納米層間或不同相結構間的界面強化效應，來實現涂層的超硬和超模量特征，受到研究者長期的青睞。多種結構的復合應用和優化設計也是提升涂層綜合性能的方法之一，如多元多層涂層綜合多層結構超模超硬效應和納米晶/非晶相界面強化效應。

3）具有低摩擦因數和自潤滑作用的軟涂層，因具有優異的耐磨性能，而逐漸得到廣泛的研究和應用，其在刀具上單獨應用或與硬涂層組合使用，均能取得較好的效果。此外，探索新的超硬涂層體系或軟涂層體系，以及開發新的涂層制備技術和工藝也是刀具涂層的發展方向。另外，進一步完善刀具涂層基礎理論研究，如涂層硬化機理、強化機制及設計準則等，實現涂層組元和微結構的可控制備，促進高性能涂層的穩定制備。

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The Latest Research Progress of Tool Coating Materials

,,

(Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China)

With the development and wide application of difficult-to-machine materials and green dry cutting technology, the working environment of cutting tool is becoming more and more severe, and the coating materials are constantly developing and updating. The coating materials have evolved from the original binary coatings to ternary and multi-element coatings, and the structures have developed from single layer to multi-layer, gradient and composite structures. In this paper, the properties and characteristics of several commonly used binary coatings are introduced and summarized. Taking the Ti-based and Cr-based ternary and multicomponent coatings as example, the effects of doping elements on the microstructure and properties of coatings as well as the strengthening mechanism are elaborated. The research status, challenging problem and synergistic mechanism of doped elements are analyzed. The advantages and research status of nano-crystalline/amorphous composite coatings, nano-multilayer coatings and gradient coatings are discussed. The characteristics and research status of super-hard coatings like diamond coating, diamond-like coatings, c-BN coating and soft coatings with low friction coefficient are stated. Finally, the hot research coatings like high entropy alloy coatings, oxygen doped coatings and multicomponent coatings with multilayers are elaborated, and the development directions of tool coating materials are summarized and prospected.

cutting tool coating; nano composite coating; multilayer coating; gradient coating; high entropy alloy coating

TG174

A

1001-3660(2022)02-0001-19

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.001

2021-12-31；

2022-01-27

2021-12-31；

2022-01-27

國家自然科學基金項目（51301181，51501130）；天津市科技軍民融合重大專項項目（18ZXJMTG00050）；天津市自然科學基金項目（19JCYBJC17100）；天津市科技特派員項目（20YDTPJC01460）；天津市教委科研計劃重點項目（2021ZD005）

National Natural Science Foundation of China (51301181, 51501130); Tianjin Major Science and Technology Project of Military-Civil Integration (18ZXJMTG00050); Tianjin Natural Science Foundation Project (19JCYBJC17100); Special Commissioner Project of Tianjin Science & Technology (20YDTPJC01460); Key Projects of Scientific Research Plan of Tianjin Education Commission (2021ZD005)

范其香（1987—），女，博士，副教授，主要研究方向為硬質涂層與高溫防護涂層。

FAN Qi-xiang (1987—), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: hard coating and high temperature protective coating.

王鐵鋼（1978—），男，博士，教授，主要研究方向為刀具涂層與高溫防護涂層。

WANG Tie-gang (1978—), Male, Doctor, Professor, Research focus: cutting tool coating and high temperature prote-c-tive coating.

范其香，林靜，王鐵鋼. 刀具涂層材料的最新研究進展[J]. 表面技術, 2022, 51(2): 1-19.

FAN Qi-xiang, LIN Jing, WANG Tie-gang. The Latest Research Progress of Tool Coating Materials [J]. Surface Technology, 2022, 51(2): 1-19.