新型复合涂层材料和工艺技术——访广东工业大学机电工程学院教授、博士.pdfVIP

新型复合涂层材料和工艺技术——访广东工业大学机电工程

学院教授、博士生导师王启民

良辰

【期刊名称】《航空制造技术》

【年(卷),期】2018(061)019

【总页数】2页(P22-23)

【作者】良辰

【作者单位】

【正文语种】中文

：高速高效加工和难加工材料使用增多对刀具材料提出苛刻要求，相应地，国际上

刀具材料和涂层技术也在不断升级，请介绍下广东工业大学在先进涂层刀具制造及

加工技术方面开展了哪些研究和应用？

王启民：随着我国制造业高速发展，难加工材料使用量急剧增加，同时对关键零部

件的尺寸、加工精度、表面完整性，以及加工效率和绿色环保的要求越来越高，这

就对数控高速高效加工刀具的要求也越来越高。

采用高温强度高、韧性好的硬质合金和高速钢刀具作为基体，在其上沉积一层或多

层耐高温、耐磨损的涂层材料，可以大大提高刀具寿命。目前，涂层刀具已占数控

刀具80%以上，并处于上升趋势，涂层已成为提升切削刀具性能的关键。针对难

加工材料高速加工的新型涂层刀具制备等关键性基础研究，国内仍然较少涉及或者

只限于一般性跟踪与改进。研究适应不同难加工材料的涂层刀具制备理论和方法、

相应优化加工工艺，依然是相当长一段时间内的研究重点。针对这个需求，我们提

出研究先进涂层刀具制造及加工技术并创建创新课题组，主要开展以下工作。

（1）新型硬质涂层的制备。硬质涂层趋于多元化、多层化和纳米化，在TiN、

CrN等传统涂层加入一些Al、Zr、Y等元素形成多元涂层固溶强化，可提高硬度、

耐磨性和抗氧化性；加入Si等晶粒细化元素生成纳米涂层可提高涂层高温硬度和

热稳定性，而且纳米多层和纳米复合结构设计可获得超硬耐磨涂层；对涂层表面成

分进行设计，或通过涂层工艺参数调整使具有非稳态组织（非晶或细小纳米晶），

可获得自适应的涂层表层活性组织，在使役过程中自适应环境生成低摩擦系数、有

利于耗散能量的复合氧化膜；氧化物和硼化物涂层等新涂层体系具有超强的高温稳

定性或抗黏结性能；通过梯度或多层设计提高涂层对基体的结合力、涂层韧性和抗

裂纹扩展能力，实现各层所具有的复合功能等。我们在前期纳米复合涂层的基础上，

设计综合多种成分和结构的解决方案，即设计多尺度纳米复合涂层，目前已制备出

多种成分和性能的硬质刀具涂层。

（2）新型PVD涂层技术的研究。目前，用于硬质涂层沉积的PVD涂层技术主要

有磁控溅射和电弧离子镀两类。磁控溅射技术具有表面光滑、无颗粒缺陷等优点，

是重要工业化大面积真空镀膜技术之一，但离化率低导致涂层力学性能和结合力较

差；相比磁控溅射，电弧离子镀具有较高金属离化率和强膜基结合力优点，但在沉

积中产生大量宏观颗粒，导致涂层表面粗糙、内应力高。PVD涂层技术在20世

纪末和进入21世纪后经历了革命性发展，新型磁控溅射技术将闭合磁场设计、离

子源辅助离化技术、高功率脉冲溅射技术、双极脉冲磁控溅射、气体反馈控制系统

等新技术，提高磁控溅射离化率，使可用于硬质刀具涂层；与此同时，电弧离子镀

技术也有很多大的改进，通过增大阴极面积、加强水冷却、优化磁场分散电弧的办

法，大大降低了涂层中大颗粒含量。我们也基于这些思路，对电弧离子镀和磁控溅

射技术进行研究，获得优质刀具涂层；以及发展多种复合沉积技术，如磁控溅射-

电弧复合技术、离子源-辅助阳极辅助离化技术等，获得结合强度高、内应力低、

多种组元成分和结构的涂层。

（3）PVD涂层刀具的应用技术研究。目前国内涂层与刀具的应用研究比较孤立，

涂层研究多关注新成分工艺的涂层和硬度、氧化腐蚀、摩擦磨损等静态性能；刀具

研究多集中在高速加工工艺及加工机理，使用的高速加工涂层刀具多是国外大公司

的刀具。缺乏针对难加工材料-涂层材料-涂层静态性能-刀具结构-加工工艺之间联

系的研究，对其中规律认识不清导致无法在源头上进行创新。我们针对多种难加工

材料进行涂层刀具的应用理论和技术研究，尝试把涂层的静态性能和涂层刀具切削

应用表现联系起来，探索涂层刀具的应用规律。希望最终一方面解决发展高速高效

加工刀具与加工工艺的关键应用基础理论问题，另一方面与企业合作，开发出解决

各种难加工材料高速高效加工的先进PVD涂层刀具的制造技术和产品。

：团队未来在涂层方向的发展思路是怎样的？如何更好地开发新型涂层并用于产

业发展？

王启民：我们定位于硬质耐磨涂层、硬质功能涂层和高温防护涂层的研究。硬质耐

磨涂层包括刀具、模具和易磨损零部件涂层；硬质功能涂层指在硬质耐磨基础上满

足光学、电学、腐蚀等功能需求；高温防护