所研发的超硬纳米复合涂层材料和关键技术荣获2020年度上海市科技进步二等奖。
“没有金刚钻，不揽瓷器活。”众所周知，在工具表面涂上高性能涂层，能够提升工具性能和使用寿命。“这就好比穿上了金刚外衣一般。”近年来，纳米复合涂层是将纳米科学与技术应用于硬质涂层的新产物，也是保护性涂层近年来的发展方向。
但是，我国纳米复合涂层相关技术起步较晚，国外技术的垄断和封锁导致国内核心技术、涂层性能指标和生产成本方面相对滞后，严重制约了我国制造业相关领域的发展。为此，有三个关键点亟待突破——如何实现强度和韧性的协同提升？如何在恶劣的服役条件下实现高性能涂层的关键制备技术？如何实现涂层和工具基材之间高的结合强度？
上海理工大学材料学院的李伟教授团队，在国家科技支撑计划和国家自然科学基金等项目的支持下，历经11年的产学研合作研究，携手上海工具厂有限公司和宁波盾戈涂层技术有限公司攻克了多项关键核心技术。所研发的超硬纳米复合涂层材料和关键技术荣获2020年度上海市科技进步二等奖，项目获授权发明专利32项，实用新型专利9项，发表论文55篇。
目前，研制出的多系列高性能纳米复合涂层产品，已批量应用于硬质合金铣刀、高性能高速钢钻头、高性能高速钢插齿刀等各种工具上，广泛应用于航空航天、汽车发动机、工程机械、轨道交通、冶金、发电能源、通用机械等众多领域。涂层工具获得了使用单位的高度评价，近三年新增产值4.06亿元，新增利润0.45亿元，取得明显的经济和社会效益。
纳米复合涂层的微观形貌
【如何变成“超硬”】
大家都知道，在自然界中，最硬的东西就是金刚石了，它的硬度可以达到100GPa。而通常，硬度达到30-40GPa的可成为“硬级”，超过40GPa的可称为“超硬级”。
可是，如果一味追求“硬度”，往往会出现涂层破裂的现象。“这样一来，刀具就要频繁更换，成本一下子就上来了。”其实，工业的发展和进步不仅要求涂层具有高硬度和耐磨性，以保证工具表面的高切削能力或高耐磨损性能，同时要求其具有高的韧性，以抑制涂层因冲击载荷等导致的脆性断裂。“然而，材料的强韧化是一对矛盾，这要求纳米复合涂层必须攻克高硬度、高耐磨与高韧性协同优化的技术难题。”李伟教授介绍。
怎么破解？李伟教授团队经过数千次的试验后，提出了纳米复合涂层的共格界面强化机制。简单地说，就是通过在纳米复合涂层的界面层中掺杂微量元素，使界面层进一步多相化，再通过优化界面层厚度使纳米复合涂层内部形成共格界面，利用界面层的相分离对纳米复合涂层的内部结构进行分割，使纳米复合涂层中晶粒进一步细化，可在其内部形成更多界面，这些界面的存在有利于缓解涂层内部的应力集中，并对微裂纹的扩散起到阻碍作用，从而对纳米复合涂层起到增韧效果。这一技术，实现了纳米复合涂层的硬度、耐磨性、韧性的协同提升。其中，通过优化后的TiAlSiN纳米复合涂层硬度达到43.2GPa、同时保持优异的韧性。
纳米复合涂层的结构示意图
此外，李伟教授团队基于界面层多相化增韧机制设计了不同材料体系的TiSiNiN、NbSiCN、ZrNiYN和TiSiCN纳米复合涂层，通过界面层掺杂使纳米复合涂层界面层产生多相化，在纳米晶粒和界面相之间呈现共格外延生长的前提下，进一步提升纳米复合涂层的韧性。
【如何制备“金刚衣”】
找到了方法，是不是很容易制备？答案是否定的。
“纳米复合涂层能否展现出优异性能，关键得满足两点：一个是微结构条件，另一个是成分条件。”李伟教授解释，微结构条件要求在涂层内部形成界面相包裹纳米晶粒的复合结构、以及界面相与纳米晶粒之间的共格界面；成分条件是对纳米复合涂层各元素成分进行精确控制，尤其对界面相进行元素掺杂时。
经过反复实验推敲后，李伟教授团队基于物理气相沉积技术，联手合作企业开发了具有纳米复合结构和共格界面的反应溅射离子镀膜关键制备技术、实现纳米复合涂层成分精确控制的复合靶材技术，实现了获得优异性能要求的微结构和成分条件。
这还远远不够。
工具在服役过程中承受很大的载荷，纳米复合涂层对工具起到保护作用的关键前提是——涂层与基材具有较高的结合强度。否则，即使涂层的性能再高，也会因为过早脱落而起不到保护作用。尤其是随着工具服役条件的愈发恶劣对涂层结合强度提出更为苛刻的要求。
然而，纳米复合涂层与基材具有不同的热膨胀系数和点阵常数，因此在结合界面处将产生较大内应力，如何提升涂层与基材的结合强度是涂层有效发挥作用的先决条件。为此，针对工具常用的硬质合金、高速钢等基材，李伟团队研发了纳米复合涂层的关键前处理技术和适用于不同涂层的梯度过渡层技术，降低了纳米复合涂层与基材之间由于热膨胀系数和点阵常数差异带来的内应力，提升了涂层与基材的结合强度。其中，TiAlSiN和TiSiCN纳米复合涂层在硬质合金上的结合强度超过60牛顿。
纳米复合涂层刀具
实际应用的效果已经显现。
在航空航天领域，针对钛合金难加工材料的特性，该系列涂层刀具与普通不涂层刀具相比，刀具寿命能有效提升，在切削过程中刀具过去容易出现的粘屑及表面过热情况都得到有效改善，被加工件材料表面质量好。在汽车领域，开发的涂层挤压丝锥，在高碳连杆的加工方面，涂层刀具取得明显成功，涂层M16挤压丝锥，在加工碳50材料方面，连续攻丝达2000余孔，超过进口刀具寿命；开发的涂层M18挤压丝锥，在加工42CrMo曲轴方面，加工寿命达到1000余孔，也成功替代进口产品。在齿轮加工领域，涂层高速钢齿轮滚刀与传统高速钢齿轮滚刀相比，其切削效率与切削寿命均大幅提高。目前，公司的涂层齿轮滚刀已成功进入长春一汽、山东时风集团等汽车加工领域。在工程机械领域，开发的涂层高性能高速钢钻头和涂层高性能螺旋槽丝锥在起重机回转支撑65Mn材料加工方面，成功替代进口，批量供货。
来源：上官新闻 记者：李蕾
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