“沒有金剛鉆，不攬瓷器活?！北娝苤?，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?！苯陙?，納米復合涂層是將納米科學與技術應用于硬質(zhì)涂層的新產(chǎn)物，也是保護性涂層近年來的發(fā)展方向。
       但是，我國納米復合涂層相關技術起步較晚，國外技術的壟斷和封鎖導致國內(nèi)核心技術、涂層性能指標和生產(chǎn)成本方面相對滯后，嚴重制約了我國制造業(yè)相關領域的發(fā)展。為此，有三個關鍵點亟待突破——如何實現(xiàn)強度和韌性的協(xié)同提升？如何在惡劣的服役條件下實現(xiàn)高性能涂層的關鍵制備技術？如何實現(xiàn)涂層和工具基材之間高的結(jié)合強度？
       上海理工大學材料學院的李偉教授團隊，在國家科技支撐計劃和國家自然科學基金等項目的支持下，歷經(jīng)11年的產(chǎn)學研合作研究，攜手上海工具廠有限公司和寧波盾戈涂層技術有限公司攻克了多項關鍵核心技術。所研發(fā)的超硬納米復合涂層材料和關鍵技術榮獲2020年度上海市科技進步二等獎，項目獲授權(quán)發(fā)明專利32項，實用新型專利9項，發(fā)表論文55篇。
       目前，研制出的多系列高性能納米復合涂層產(chǎn)品，已批量應用于硬質(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，廣泛應用于航空航天、汽車發(fā)動機、工程機械、軌道交通、冶金、發(fā)電能源、通用機械等眾多領域。涂層工具獲得了使用單位的高度評價，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)濟和社會效益。

納米復合涂層的微觀形貌

       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，它的硬度可以達到100GPa。而通常，硬度達到30-40GPa的可成為“硬級”，超過40GPa的可稱為“超硬級”。
可是，如果一味追求“硬度”，往往會出現(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?！逼鋵崳I(yè)的發(fā)展和進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，同時要求其具有高的韌性，以抑制涂層因沖擊載荷等導致的脆性斷裂。“然而，材料的強韌化是一對矛盾，這要求納米復合涂層必須攻克高硬度、高耐磨與高韌性協(xié)同優(yōu)化的技術難題?！崩顐ソ淌诮榻B。
       怎么破解？李偉教授團隊經(jīng)過數(shù)千次的試驗后，提出了納米復合涂層的共格界面強化機制。簡單地說，就是通過在納米復合涂層的界面層中摻雜微量元素，使界面層進一步多相化，再通過優(yōu)化界面層厚度使納米復合涂層內(nèi)部形成共格界面，利用界面層的相分離對納米復合涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分割，使納米復合涂層中晶粒進一步細化，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)部的應力集中，并對微裂紋的擴散起到阻礙作用，從而對納米復合涂層起到增韌效果。這一技術，實現(xiàn)了納米復合涂層的硬度、耐磨性、韌性的協(xié)同提升。其中，通過優(yōu)化后的TiAlSiN納米復合涂層硬度達到43.2GPa、同時保護優(yōu)異的韌性。

納米復合涂層的結(jié)構(gòu)示意圖

       此外，李偉教授團隊基于界面層多相化增韌機制設計了不同材料體系的TiSiNiN、NbSiCN、ZrNiYN和TiSiCN納米復合涂層，通過界面層摻雜使納米復合涂層界面層產(chǎn)生多相化，在納米晶粒和界面相之間呈現(xiàn)共格外延生長的前提下，進一步提升納米復合涂層的韌性。

       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。
       “納米復合涂層能否展現(xiàn)出優(yōu)異性能，關鍵得滿足兩點：一個是微結(jié)構(gòu)條件，另一個是成分條件。”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；成分條件是對納米復合涂層各元素成分進行精確控制，尤其對界面相進行元素摻雜時。
       經(jīng)過反復實驗推敲后，李偉教授團隊基于物理氣相沉積技術，聯(lián)手合作企業(yè)開發(fā)了具有納米復合結(jié)構(gòu)和共格界面的反應濺射離子鍍膜關鍵制備技術、實現(xiàn)納米復合涂層成分精確控制的復合靶材技術，實現(xiàn)了獲得優(yōu)異性能要求的微結(jié)構(gòu)和成分條件。這還遠遠不夠。
       工具在服役過程中承受很大的載荷，納米復合涂層對工具起到保護作用的關鍵前提是——涂層與基材具有較高的結(jié)合強度。否則，即使涂層的性能再高，也會因為過早脫落而起不到保護作用。尤其是隨著工具服役條件的愈發(fā)惡劣對涂層結(jié)合強度提出更為苛刻的要求。
       然而，納米復合涂層與基材具有不同的熱膨脹系數(shù)和點陣常數(shù)，因此在結(jié)合界面處將產(chǎn)生較大內(nèi)應力，如何提升涂層與基材的結(jié)合強度是涂層有效發(fā)揮作用的先決條件。為此，針對工具常用的硬質(zhì)合金、高速鋼等基材，李偉團隊研發(fā)了納米復合涂層的關鍵前處理技術和適用于不同涂層的梯度過渡層技術，降低了納米復合涂層與基材之間由于熱膨脹系數(shù)和點陣常數(shù)差異帶來的內(nèi)應力，提升了涂層與基材的結(jié)合強度。其中，TiAlSiN和TiSiCN納米復合涂層在硬質(zhì)合金上的結(jié)合強度超過60牛頓。

納米復合涂層刀具

       實際應用的效果已經(jīng)顯現(xiàn)。
       在航空航天領域，針對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2000余孔，超過進口刀具壽命；開發(fā)的涂層M18擠壓絲錐，在加工42CrMo曲軸方面，加工壽命達到1000余孔，也成功替代進口產(chǎn)品。在齒輪加工領域，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入長春一汽、山東時風集團等汽車加工領域。在工程機械領域，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回轉(zhuǎn)支撐65Mn材料加工方面，成功替代進口，批量供貨。