電弧/濺射復合沉積技術的發(fā)展及其在刀具涂層中的應用

張權，耿東森，許雨翔，王啟民，李柏榮

（1.廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣州 510006；2.廣東振華科技股份有限公司，廣東 肇慶 526000）

近三十年來，隨著機床結構剛性、數控技術、刀具設計以及表面涂層技術的不斷發(fā)展，針對難加工材料高速干式切削加工技術的優(yōu)勢日益凸顯。切削速度的提高直接帶來加工效率的大幅提升，且切削過程中大量切削熱（>90%）被高速排出的切屑帶走，有利于減少被加工件的內應力與熱變形。此外，當切削速度升至一定范圍時，切削力隨切削速度的增加反而減小，較傳統切削下降30%以上。高切削速度使刀具激振頻率與機床固有低階頻率錯開，可以有效避免共振現象的產生，具有保證加工精度與提升表面質量等一系列優(yōu)點，是目前學術研究和工業(yè)應用的熱點[1-2]。高速干式切削加工技術能夠同時滿足生產效率最大化與環(huán)境保護的要求，逐步成為切削難加工材料的首選方案，但在實際切削過程中，依舊存在切削力大、切削溫度高、刀具磨損過快等問題，因此高速切削用刀具需具備更加優(yōu)異的紅硬性、熱韌性與耐磨減摩等特性。在高速干式切削常用的刀具材料中，金剛石刀具雖然硬度高，但是高溫下對鐵族元素具有互溶性，不適合鐵族材料的加工；陶瓷刀具擁有良好的紅硬性和耐磨性，但是脆性大和抗彎強度較差[3-5]；立方氮化硼刀具同時具備了高硬度、高耐磨性、高化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，但是抗沖擊性能較差，且受制于使用成本較高，工業(yè)化應用規(guī)模相對有限[6-7]。通過調整硬質相與粘結相的成分和比例，硬質合金刀具不僅具備優(yōu)異的韌性和刃口強度，還兼顧耐磨性與耐高溫性，在切削速度和服役壽命上均表現出顯著優(yōu)勢，目前廣泛應用于各種金屬材料的切削加工[1]。

伴隨著切削刀具性能的改進與提高，刀具涂層的制備技術同樣得到迅速發(fā)展，從最初的化學氣相沉積逐步發(fā)展為以電弧離子鍍、磁控濺射為代表的物理氣相沉積（PVD），以及目前在行業(yè)中備受關注的高功率脈沖磁控濺射和離子束輔助沉積。此外，刀具表面涂層的成分與結構也在不斷演變，從最初的單層涂層發(fā)展為現在的多組元涂層[8]、功能梯度涂層[9]、納米結構涂層[10]等，并能夠針對特定的加工場合定制合適的涂層。表面涂層作為化學屏障和熱屏障，可以有效避免切削過程中刀具與被加工材料間的元素擴散和化學反應，同時又具備高硬度、高耐磨性等優(yōu)點，從而減少刀具磨損，提升其服役壽命和切削效率[11-14]。自涂層刀具問世以來，學術界和工業(yè)界都致力于不斷提升涂層與基體的結合強度，增強涂層的硬度與韌性，改善高溫抗氧化以及耐磨減摩等性能，以拓寬涂層刀具的應用范圍，滿足愈加嚴苛的使用要求[15]。目前，大規(guī)模工業(yè)化制備涂層刀具的PVD 技術為電弧離子鍍和磁控濺射，它們各有優(yōu)勢、相互補充。針對難加工材料的高速干式切削加工，通過結合電弧離子鍍離化率高、膜基結合力強與磁控濺射靶材成分選擇廣泛、內應力可調的技術優(yōu)勢，可以實現在切削刀具上制備具有納米多層以及納米復合結構的高性能涂層。本文對國內外電弧離子鍍/磁控濺射復合涂層的發(fā)展歷史進行了回顧，并對不同科研機構及企業(yè)關于復合沉積涂層的研究進行了梳理與總結。

1 復合沉積技術的源起

1986 年，澳大利亞聯邦科學與工業(yè)研究組織的兩位學者B. Window 與N. Savvides[16-18]合作開發(fā)出非平衡磁控濺射技術，隨后英國企業(yè)家D. G. Teer[19-20]將該技術的實驗原型機成功改造為工業(yè)化生產設備，并通過水冷結構改進與配套電源技術升級，改善了靶材離化率，提升了等離子體密度，優(yōu)化了等離子體分布，進而使非平衡磁控濺射具有離子鍍效果。荷蘭豪澤（Hauzer）涂層公司迅速跟進，開發(fā)出一款可實現硬件拓展以及柔性生產的非平衡磁控濺射鍍膜機。該設備的最大亮點在于磁控濺射弧源的非平衡磁場設計。磁場的“非平衡度”通過調節(jié)永磁體的磁場強度以及電磁線圈的電流大小實現，四組電磁場磁感線首尾相接，可以實現等離子體在整個真空爐腔內的均勻分布[21]。在沉積速率、涂層致密性及力學性能上的顯著提升[22]，使非平衡磁控濺射迅速取代平衡磁控濺射，應用于切削刀具、成形模具與表面裝飾等領域，與電弧離子鍍成為工業(yè)化生產氮化物硬質涂層的兩大主流技術[23]。磁控濺射在沉積過程中并不產生“液滴”，可獲得優(yōu)異的涂層表面質量，在沉積成分熔點差別較大的合金靶材（例如TiAl、TiZr 與TiNb 等合金靶）時，與電弧離子鍍相比具有顯著優(yōu)勢。

同一時期，電弧離子鍍技術同樣有所發(fā)展，即通過外部磁場控制靶材表面的弧斑運動。以 Steered ArcTM為代表的新型電弧離子鍍技術所制備的硬質涂層具有結構致密、膜基間結合強度高、力學性能優(yōu)異等優(yōu)點，但是沉積過程中仍無法避免“液滴”的產生，不僅影響涂層的表面質量，并且可能會破壞涂層結構的致密性。1991 年4 月，瑞典林雪平大學的Hultman等人[23-24]在美國圣迭戈舉行的國際涂層會議上進行學術報告，分享了電弧離子鍍刻蝕前處理的研究成果：采用Steered ArcTM電弧離子鍍沉積TiN 涂層，首先在氬氣氛圍中使用電弧Ti 離子對加載?1200 V 偏壓的不銹鋼基體進行刻蝕。刻蝕后的基體表面形成一層厚度為10～20 nm 的Ti-Fe 金屬間化合物層，并向基體擴散，深度為120～160 nm，形成再結晶區(qū)域與成分梯度層，如圖1 所示，在此前處理基礎上沉積的TiN 涂層表現出更優(yōu)異的膜基結合強度。但是采用磁控濺射在氬氣中對相同基體進行刻蝕，卻不能產生類似的界面區(qū)域與結合力表現[25]。

圖1 電弧Ti 靶轟擊刻蝕后涂層/基體界面處的成分分布[23]Fig.1 The element depth profile of coating/substrate interface of AIP etching from Ti cathode[23]

在意識到Steered ArcTM電弧離子鍍與非平衡磁控濺射各自的技術優(yōu)勢后，豪澤涂層公司于1991 年嘗試將這兩種技術整合在一起，開發(fā)出全新的Hauzer Techno Coating (HTC) 1000-4 ABSTM涂層設備，并實現工業(yè)化生產[23-25]。其技術方案為：先采用電弧離子鍍轟擊對基體材料進行前處理，獲得良好的膜基結合力，再通過非平衡磁控濺射制備表面質量優(yōu)異的高性能涂層，典型涂層結構與工藝流程如圖2 所示。HTC 1000-4 ABSTM涂層設備整合了Robinson 與Matthews[26]關于多功能陰極弧源的研究成果，通過氣動裝置使同一塊靶材可以在電弧離子鍍與非平衡磁控濺射兩種模式下自動切換，永磁體遠離靶材時為電弧離子鍍模式，靠近靶材時為非平衡磁控濺射模式，如圖3 所示。相較于傳統單一沉積技術的涂層設備，豪澤涂層公司的ABSTM技術開啟了電弧/濺射復合沉積的新思路，拓寬了硬質涂層成分與結構設計的可能性。

圖2 豪澤ABSTM 涂層典型結構與工藝流程Fig.2 Typical structure and production process of Hauzer ABSTM coating

圖3 豪澤1000-4 ABSTM 鍍膜機多功能陰極弧源[24]Fig.3 Multi-functional cathode arc source of Hauzer ABSTM 1000-4 coater[24]

為了充分開發(fā)ABSTM技術潛力，豪澤涂層公司與不同科研機構合作，首先通過ABSTM技術完成對TiN[24]與CrN[27]硬質涂層的制備與性能優(yōu)化。隨后在二元涂層的基礎上，引入新元素，通過固溶強化機制，先后制備出TiZrN[28]與TiAlN[29]涂層，進一步提升了涂層的力學性能、高溫熱穩(wěn)定性以及抗氧化性能?；贖TC 1000-4 ABSTM涂層設備靶材對稱分布的結構布局，豪澤涂層公司聯合英國謝菲爾德哈勒姆大學嘗試利用ABSTM技術制備具有超晶格結構的多層涂層。Donohue 等人[30-32]通過磁控濺射與電弧離子鍍交替沉積，研究沉積氣壓、基體偏壓、調制周期、調制比等工藝參數對TiAlN/ZrN 與TiAlN/TiNbN 納米多層涂層（其中TiAlN 由磁控濺射沉積，ZrN 與TiNbN 由電弧離子鍍沉積）結構和力學性能的影響，為ABSTM技術制備納米多層涂層從實驗室研究轉換為大規(guī)模工業(yè)生產提供了基本工藝參數。

經過工藝探索與研究，謝菲爾德哈勒姆大學的研究人員[33-37]基于ABSTM技術，開發(fā)出以TiAlN/CrN/TiAlYN、TiAlN/VN 和CrN/NbN 為代表的三組具有超晶格結構的高性能涂層，并成功實現工業(yè)量產。Lewis 等人[38-39]開發(fā)出TiAlN/CrN/TiAlYN 納米多層涂層，為鈦合金加工提供了涂層解決方案。Y 元素在涂層生長過程中發(fā)生偏析，引起連續(xù)重新形核，產生明顯的晶粒細化現象，TiAlN 單層涂層所具有的典型柱狀晶結構向致密的等軸晶結構發(fā)展，涂層體系硬度提升；此外，高溫氧化環(huán)境中，Y 的氧化物偏析在晶界處，抑制膜基結合處的Cr 離子與Fe 離子向涂層表層擴散以及O 元素向涂層內擴散，涂層抗氧化性能得到顯著提升。與一般商用Al2O3涂層刀具相比，TiAlN/CrN/TiAlYN 涂層銑刀在高速干式切削鈦合金時的切削溫度為880 ℃，明顯低于Al2O3涂層刀具切削加工時的1440 ℃。Y 元素的引入不僅降低了切削時的摩擦系數，還增強了涂層體系的化學惰性，避免基體元素與涂層元素反應形成非化學計量比的氮化物，抑制了冷焊以及積屑瘤的產生，加工過程中切削力顯著降低，切削效率提升了4.5 倍。此外，TiAlN/CrN/TiAlYN 納米多層涂層還成功應用于熱成形模具領域（基體材料為ASTM A681 熱作模具鋼），在850 ℃服役工況下加工Ti 合金飛機起落架，能有效減少模具精密尺寸部位的磨損[36]。

針對航空鋁合金（Al7010-T7651）與汽車鋁合金（AlSi9Cu1）這兩種典型的難加工材料，Luo[40]與Hovsepian[41]報道了ABSTMTiAlN/VN 涂層刀具在高速干式銑削加工中的優(yōu)異表現，如圖4 所示。與競品相比，通過引入V 元素，TiAlN/VN 納米多層涂層的氧化起始溫度降低至500～600 ℃，由于氧化產物V2O5與AlVO4在干式滑動摩擦中具有固體潤滑效果[42-43]，可以顯著降低刀具與工件之間的摩擦系數，切削力因此降低，粘刀現象與后刀面磨損也得到緩解。ABSTM技術中的電弧離子轟擊刻蝕前處理工藝使TiAlN/VN涂層獲得優(yōu)異的膜基結合力，涂層刀具的抗粘著磨損性能提升，在切削過程中沒有發(fā)生涂層剝落。TiAlN/VN 超晶格涂層與成分單層涂層相比，硬度與韌性顯著提升，抗磨粒磨損性能得到增強，從而延長了涂層刀具的服役壽命[44]。

圖4 ABSTM TiAlN/VN 涂層刀具的切削性能[44]Fig.4 ABSTM TiAlN/VN coated tool for milling aluminium alloy[44]: a) cutting 7010-T7651 aluminium alloy; b) cutting AlSi9Cu1 aluminium alloy

電鍍作為傳統金屬表面防腐蝕技術，廣泛應用于生產生活領域，但是日益嚴苛的環(huán)保標準使電鍍過程中產生的廢水處理成本大幅提升?？紤]到物理氣相沉積技術在生產過程中無廢氣與廢水排放，符合綠色生產的發(fā)展趨勢，Münz 等人[45]嘗試以ABSTM技術制備CrN/NbN 納米多層涂層（～4 μm），取代傳統電鍍Cr（～20 μm）涂層。CrN/NbN 納米多層涂層不僅制備過程綠色環(huán)保，且力學性能與抗磨損性能較電鍍Cr涂層顯著提升；通過Nb 離子電弧刻蝕前處理，利用Nb 元素優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，對基體形成一層致密的保護層，涂層的抗腐蝕性能得到增強。在乙酸/乙酸鈉緩沖溶液中的動電位極化試驗中，～4.5 μm 厚的ABSTMCrN/NbN 涂層抗腐蝕性能明顯優(yōu)于～20 μm 厚的電鍍Cr 涂層。ABSTMCrN/NbN 涂層兼具優(yōu)異的耐磨損與耐腐蝕性能，已在石油化工、汽車、紡織以及手術刀具等領域中部分取代硬質電鍍Cr 涂層。

在ABSTM技術的基礎上，豪澤涂層公司又引入等離子滲氮前處理工藝，增強刀具刃口強度[36]，如圖5 所示。目前，豪澤涂層公司的Nitrocoat 技術可以實現在同一臺真空設備中，完成等離子體滲氮、CARC+電弧與DMS 濺射以及氮化物與DLC 的復合沉積。

圖5 經過等離子滲氮處理的CrN/NbN 涂層外科手術刀截面SEM 形貌[36]Fig.5 Cross-sectional SEM image of plasma nitrided surgical blade with CrN/NbN nano-multilayer coating[36]

2 復合沉積技術在制備多元納米復合刀具涂層中的應用

1995 年起，德國慕尼黑工業(yè)大學Veprek 及其合作者先后報道了多篇關于納米晶/非晶復合結構的超硬涂層（硬度超過40 GPa）的研究成果，并提出了非晶包裹納米晶的三維網狀結構模型來解釋納米復合涂層的超硬機理[46-49]。TiSiN 涂層作為其中的典型代表，具有超高硬度、低摩擦系數以及良好的化學穩(wěn)定性，在學術界引起廣泛關注[50-52]。21 世紀初，TiSiN涂層主要通過等離子增強化學氣相沉積[53]與磁控濺射[50,54]制備。韓國釜山國立大學的Kim 教授團隊[55-59]在電弧離子鍍沉積TiN 的同時，利用磁控濺射對Si靶進行共沉積，通過調節(jié)基體轉架轉速至25 rad/min，制備出具有納米復合結構的硬質涂層，并報道了沉積工藝以及涂層中Si 元素含量對TiSiN 涂層的表面形貌、結構物相、力學性能、摩擦學行為以及切削性能的影響。TiSiN 涂層的表面粗糙度以及常溫摩擦系數均隨Si 含量（0at%～12.7at%）的升高而降低[55-56]。當Si 元素含量為7.7at%時，涂層獲得最大硬度值45 GPa[55]。與TiN 電弧涂層相比，電弧/濺射復合TiSiN 涂層在力學性能以及抗摩擦磨損方面均顯著提升，TiSiN 涂層刀具在高速干式銑削AISI D2（62 HRC）工具鋼時表現出更長久的服役壽命以及更好的加工質量[59]。

鑒于此，本文針對多工藝路線柔性作業(yè)車間分批調度問題進行了研究，綜合考慮機床能耗、消耗刀具、夾具產生的能耗和搬運設備能耗，以車間廣義能耗最低和完工時間最小為目標，將柔性作業(yè)車間工件劃分為若干個獨立加工的子批量，并為子批量選擇工藝路線，為工序選擇機床、刀具和夾具，選擇工件流轉過程的搬運設備，同時合理安排工序在機床上的加工順序，形成車間最優(yōu)的調度方案。

在電弧/濺射復合TiSiN 涂層的基礎上，Kim 教授等人[61-63]又開發(fā)出TiAlSiN 與TiSiCN 涂層，希望進一步增強TiN 基涂層的高溫抗氧化以及抗磨損性能。研究結果表明，當涂層Si 元素為～9%時，直徑為～8 nm 的(Ti,Al,Si)N 納米晶粒被非晶相的Si3N4均勻包裹，TiAlSiN 涂層的硬度和彈性模量達到最大值，分別為～55、～650 GPa。電弧/濺射復合TiAlSiN 涂層兼具TiAlN 涂層優(yōu)異的高溫熱穩(wěn)定性以及TiSiN 涂層的超高硬度，無論采用干式還是微量潤滑（MQL）高速切削AISI D2（62 HRC）工具鋼，復合涂層均表現出比TiAlN 電弧涂層更長的服役壽命以及更優(yōu)異的加工質量。與TiAlSiN 涂層相似，TiSiCN 涂層中Si 含量為8.9at%時，同樣表現出非晶相Si3N4/SiC 包裹(Ti,C)N 納米晶的納米復合結構，如圖6 所示。在常溫摩擦磨損實驗中，TiSiCN 涂層中的Si3N4/SiC 非晶相能夠與空氣中的水分發(fā)生化學反應，生成SiO2或Si(OH)2自潤滑摩擦氧化產物[64]，涂層在保持～55 GPa 高硬度的同時，常溫摩擦系數為～0.6，小于TiCN的～0.75 以及TiSiN 的～0.8[60]。

CrN 基作為過渡金屬氮化物涂層的另一重要體系，不少科研團隊報道了在CrN 涂層的基礎上，通過添加新的成分組元，例如Ti[65-66]、Al[67-68]、B[69]、C[70-71]、Ta[72-73]等，進一步提升CrN 涂層的綜合性能。Kim 教授團隊將電弧/濺射復合沉積拓展至CrN 涂層體系，先后開發(fā)出CrSiN[74-75]與CrSiON[76-81]、CrCN[82]與 CrSiCN[83]、 CrAlN[84-86]與 CrAlSiN[85-86]以 及CrMoN[87-88]與CrMoSiN[87-88]等涂層體系，并成功應用于HBsC3(JIS)高強度黃銅鑄件[89]以及AISI W1-8模具鋼（52 HRC）[84]的高速干式精密微加工中。

與提升TiSiN 涂層性能的研究路線相似，Kim 教授團隊首先研究了Si 含量對電弧/濺射復合CrSiN 涂層結構與性能的影響。當涂層中Si 元素含量達到9.3at.%時，CrSiN 涂層表現出非晶相Si3N4包裹CrN納米晶粒的結構，受益于晶界強化機制與CrN 納米晶粒的細化，涂層硬度達到最高值～34 GPa，涂層的摩擦系數則隨著Si 含量的提升而降低[74]，如圖7 所示。在氧化實驗中（800～1000 ℃，空氣氛圍），CrN涂層中的Cr 元素向外擴散，O 元素向內擴散，在涂層表面形成Cr2O3保護層；而CrSiN 涂層則發(fā)生Cr、Si 和N 元素向外擴散，O 元素向內擴散，固溶在CrN涂層中的Si 元素與非晶態(tài)Si3N4發(fā)生氧化，生成非晶態(tài)的SiO2，阻礙元素擴散，提升涂層氧化的激活能，增強抗氧化性[75]。在高硬度、低摩擦系數與出色抗氧化性能的共同作用下，CrSiN 涂層刀具表現出優(yōu)異的高速干式切削性能。作者曾與Kim 教授合作，分別就氮氣分壓、基體偏壓以及磁控濺射Si 靶運行功率三項沉積工藝參數對電弧/濺射復合CrSiN 涂層納米復合結構的影響進行了研究，并分別從熱動力學以及分子動力學兩方面對涂層納米復合結構的演變機制進行分析[90-91]。

圖6 TiSiCN 涂層TEM 圖像以及Si2p XPS 圖譜[60]Fig.6 TEM image and Si2p XPS of TiSiCN coating[60]: a) HRTEM and SAED; b) TEM dark field image; c) Si content is 8.9%; d)Si content is 15.5%

圖7 Si 含量對電弧/濺射復合沉積CrSiN 涂層硬度與摩擦學性能的影響[74]Fig.7 Effect of Si content on hardness (a) and tribological properties (b) of CrSiN coatings prepared by arc/sputtering[74]

隨后，作者與Kim 教授團隊繼續(xù)合作，在電弧/濺射復合CrSiN 涂層的基礎上，通過復合技術制備高性能氮氧化物涂層[81]。通過總結前人的研究成果，發(fā)現在納米復合結構涂層中，雜質成分的含量對涂層硬度具有顯著影響[92]。Ma 等人[93]報道了nc-TiN/a-Si3N4涂層中的O 元素含量從0.2at%升至1at%～1.5at%，涂層硬度從45～55 GPa 下降至30 GPa。過渡金屬氧氮化物涂層由于金屬鍵、共價鍵與離子鍵的共同作用，與過渡金屬氮化物在涂層結構上呈現出顯著區(qū)別，通過控制O 元素的含量，可以在力學性能以及化學穩(wěn)定性等方面獲得特殊優(yōu)勢[76-80]。CrSiON 涂層中O 元素含量為16at%時，形成CrN 納米晶被非晶SiO2和Si3N4兩相包裹的納米復合結構，如圖8 所示。此時涂層硬度達到最高值～47 GPa，且表現出低摩擦系數（～0.22）與優(yōu)異的抗磨損性能。當O 元素含量高于25at%時，CrSiON 涂層中開始出現Cr2O3晶體，晶粒尺寸增大，導致涂層硬度開始下降。

圖8 CrSiO(16at%)N 涂層的TEM 圖像[81]Fig.8 TEM images of the CrSiO(16at.%)N coating[81]

3 復合沉積技術在制備多元納米多層刀具涂層中的應用

電弧/濺射復合沉積技術不僅在學術界引起廣泛關注，不少企業(yè)也相繼推出電弧/濺射復合商用涂層產品，提升自身市場競爭力。日本神戶制鋼所（Kobelco）于2002 年以旗下AIP?-S40 電弧鍍膜機為平臺，開發(fā)出電弧/濺射復合鍍膜機（Kobelco AIP?+UBMS?hybrid coater）[95]，結構如圖9 所示。神戶制鋼所工程師Yamamoto 與加拿大麥克馬斯特大學研究學者Fox-Rabinovich[96]合作，利用磁控濺射靶材選擇寬泛的優(yōu)勢，通過電弧/濺射復合沉積，在傳統電弧單層涂層（TiAlN 與CrN）中引入新的組元（SiNx與BCN），組成納米多層結構，制備出具有優(yōu)異性能的超晶格涂層，并確定了電弧/濺射復合沉積的基本工藝參數。

圖9 神戶制鋼所電弧/濺射復合鍍膜機結構示意圖[95]Fig.9 Schematic diagram of Kobelco AIP?+UBMS? hybrid coater[95]

除了通過電弧/濺射復合制備CrN 基氧氮化物涂層，Kim 教授團隊還分別通過摻雜C[82]、Al[84-86]與Mo[82,94]元素對CrN 涂層進行固溶強化，改善涂層的力學性能以及抗磨損性能。其中，C 元素來自反應氣體CH4。Al 和Mo 靶材由于難以被電弧離子鍍直接沉積，因此通過磁控濺射與電弧Cr 靶進行復合沉積制備涂層。首先調節(jié)反應氣體CH4的流量以及磁控濺射的運行功率，優(yōu)化涂層中的成分比例，制備出高性能的CrC(20at%)N[82]、CrMo(21at%)N[82,94]與CrAl(31.5at%)N[84-86]涂層。在此基礎上，通過電弧/濺射復合沉積，向涂層中添加Si 元素，形成納米復合結構，制備出兼具高硬度與耐磨減摩特性的CrSi(9.2at%)C(20at%)N[83]、CrMo(21at%)Si(12.1at%)N[87-88]以及CrAl(31.5at%)Si(8.7at%)N[85-86]涂層，為HBsC3（JIS）黃銅鑄件[89]以及AISI W1-8（52 HRC）模具鋼[84]的高速干式精密微切削加工提供了涂層解決方案。

基于電弧/濺射復合沉積靶材成分選擇寬泛的優(yōu)勢以及超晶格涂層優(yōu)異的力學性能[97]與高溫性能[98-99]，Yamamoto 與Fox-Rabinovich[100-101]提出了具有摩擦自適應性的納米多層涂層設計理念，即涂層在切削服役過程中不僅能夠生成具有保護性的氧化膜，且氧化產物兼具一定的潤滑性，從而提升涂層刀具的切削性能?；谠摾砟?，兩位研究者在TiAlCrN 電弧涂層的基礎上，通過磁控濺射沉積電弧難沉積的W 靶與Nb靶，引入WN 濺射層與NbN 濺射層，制備出具有摩擦自適應性的TiAlCrN/WN[102]與TiAlCrN/NbN[103]納米多層涂層，并成功應用于銑削H13 工具鋼（55～57HRC），如圖10 所示。

圖10 TiAlCrN 基納米多層涂層刀具與TiAlCrN 單層涂層刀具切削壽命的對比[103]Fig.10 Comparison of tool life between TiAlCrN-based nano multilayer coatings and TiAlCrN monolithic coating[103]

鎳基Inconel 718 高溫合金具有出色的高溫強度和韌性以及低熱導率，在切削過程中易產生加工硬化與“粘刀”現象，刀具承受大量的切削熱而快速失效，是一種典型的難加工材料[104]。Yamamoto 與 Fox-Rabinovich[105]基于摩擦自適應涂層的設計理念，針對Inconel 718 高溫合金的干式切削制備AlTiN/Cu 納米多層涂層。一方面利用納米多層結構的界面阻礙晶格熱傳導，使切削熱主要被切屑帶走，沿涂層表面至刀具的縱向傳遞被削弱，避免刀具基體因高溫軟化引起失效；另一方面，Cu 濺射層作為金屬潤滑劑，能夠有效降低涂層刀具切削時與工件之間的摩擦系數[106]。然后，再通過優(yōu)化納米多層涂層的調制周期與調制比，獲得優(yōu)異的力學性能以及抗磨損性能，從而顯著提升涂層刀具的切削性能[104]，如圖11 所示。兩位研究者關于電弧/濺射復合沉積以及摩擦自適應涂層的研究成果被神戶制鋼所成功轉化為商用刀具涂層，后續(xù)又推出TaAlSiN/NbTaAlSiBN 與TiNbAlSiN/ TiNbAlSiBN等一系列電弧/濺射復合沉積納米多層涂層，為高硬度模具鋼與鎳基高溫合金等難加工材料提供不同的涂層解決方案。

圖11 AlTiN/Cu 涂層刀具切削Inconel 718 高溫合金的后刀面磨損曲線[104]Fig.11 Flank wear curves of AlTiN/Cu coated tools during machining of Inconel 718 superalloy[104]

歐瑞康巴爾查斯（Oerlikon Balzers）完成對蘇爾壽美科（Sulzer Metco）的收購后，在電弧/濺射復合沉積領域表現出顯著的技術優(yōu)勢[107]。其核心技術包括Scalable Pulsed Power Plasma（S3p）以及High Ionization Triple（HI3）。S3p 為電弧離子鍍與高功率脈沖磁控濺射復合沉積技術，兼具電弧離子鍍與磁控濺射兩種技術各自的優(yōu)勢，能夠制備出高表面質量、結構致密的高性能硬質涂層，即BALIQ?涂層系列（目前尚未進入中國市場）。同時由于高功率脈沖磁控濺射的脈沖寬度、脈沖波形以及電流密度均可獨立調節(jié)，所以S3p 技術具有豐富的工藝可拓展性。在S3p的基礎上，歐瑞康巴爾查斯通過加入電弧增強輝光放電（Arc-enhanced glow discharge, AEGD）刻蝕工藝[108-110]以及柔性化的涂層結構設計（見圖 12a），依托METAPLAS DOMINO 設備平臺，組成HI3 技術，為其客戶提供高性能復合沉積涂層。

相較于傳統電弧離子鍍或高功率脈沖磁控濺射制備的單層涂層，通過HI3 技術制備的復合納米多層涂層在力學性能、抗氧化性能以及切削性能等方面均得到顯著提升。復合沉積技術拓寬了靶材成分的選擇范圍，面對不同的服役工況，HI3 技術可以針對性定制設計頂層成分，如圖12b 所示。以SIBONICA 涂層系列為例，SiBCN 涂層硬度可以達到27～35 GPa，殘余應力僅為(?1.5±0.5) GPa，高溫下具有出色的熱穩(wěn)定性、抗氧化性（氧化起始溫度為1400～1700 ℃）以及低熱導率，適合作為刀具表面防護涂層[111-115]。研究人員通過HI3 技術復合沉積AlTiN（電弧離子鍍）與SiBCN 涂層（高功率脈沖磁控濺射），實現了涂層從底層的柱狀晶到復合沉積區(qū)域的納米晶，再到功能頂層非晶的結構過渡。AlTiN/SiBCN 涂層兼顧高硬度與強韌性，與競品相比，在切削難加工材料時具有顯著的壽命優(yōu)勢，如圖13 所示。

圖12 HI3 技術Fig.12 The HI3 technology: a) structure of the coatings; b) various options for top function layer

圖13 SIBONICA(AlTiN/SiBCN)涂層與競品的切削壽命對比[116]Fig.13 The cutting lifetime comparison between SIBONICA(AlTiN/SiBCN) coatings and competitions[116]

歐瑞康巴爾查斯與奧地利維也納技術大學的Mayrhofer 教授課題組合作，在電弧/濺射復合涂層沉積領域取得了突出的研究成果。與Yamamoto 與Fox-Rabinovich 提出的摩擦自適應性納米多層涂層的設計理念相似，Mayrhofer 教授課題組的研究人員[117-118]基于生產實踐，總結出涂層刀具在現代高速干式切削加工中的主要失效形式為磨粒磨損、粘著磨損、摩擦氧化磨損以及表面涂層失效所引起的刀具后刀面磨損與前刀面月牙洼磨損，因此設計具有高溫自潤滑特性的涂層成為延長涂層刀具服役壽命的關鍵。MoSiB涂層（Mo 含量超過50at%）兼具優(yōu)異的高溫自潤滑、抗氧化以及熱穩(wěn)定性，TiAlN 涂層則表現出優(yōu)異的力學性能、高溫熱穩(wěn)定性以及抗氧化性能。在總結前人關于MoSiB 涂層以及納米多層涂層研究成果的基礎上，Riedl 等人[119]提出了具有主層/功能層結構的電弧/濺射復合納米多層涂層的設計理念，如圖14 所示。其中主層為電弧離子鍍制備的TiAlN，作為納米多層涂層的骨架，提供主要的力學性能、熱穩(wěn)定性與抗氧化性；磁控濺射沉積的MoSiB 作為功能層，通過自身非晶的特性使TiAlN 涂層的柱狀晶在連續(xù)生長過程中被打斷而重新成核，提升涂層結構的致密性，抑制高溫環(huán)境中O 元素沿柱狀晶界向涂層內擴散，增強了涂層的抗氧化性。

圖14 TiAlN 電弧主層與MoSiB 濺射功能層組成的納米多層涂層[120]Fig.14 Multilayer design consisting of the main layer of TiAlN AIP sublayer and the functional layer of MoSiB DCMS sublayer[120]

為了使涂層同時具備優(yōu)異的力學性能、高溫熱穩(wěn)定性以及抗氧化性能，Koller 等人[121-123]采用電弧/濺射復合沉積，制備了TiAlN/TaAlN 以及TiAlTaN/TaAlN納米多層涂層，并通過改變TiAlTa 電弧靶材的成分比例與TaAl 濺射靶的運行功率，來控制涂層體系中的Ta 含量。磁控濺射沉積的Ta0.77Al0.23N 與Ta0.57Al0.43N單層涂層中均存在六方AlN 相，通過納米多層結構，以面心立方結構的TiAlN 與TiAlTaN 電弧層為模板，TaAlN 濺射層即使在高Ta 含量下，也能實現共格外延生長，納米多層涂層不僅表現出單一立方相結構，且柱狀晶尺寸減小，微觀結構較電弧單層更加致密。在1000～1100 ℃真空退火實驗中，TiAlN/TaAlN 以及TiAlTaN/TaAlN 納米多層涂層均表現出優(yōu)異的高溫力學性能。在850 ℃和950 ℃等溫氧化實驗中（實驗時間25 h），調制周期為40 nm 的TiAlTaN/TaAlN 納米多層涂層表現出最優(yōu)的抗氧化性能。這是因為該調制周期的涂層中Ta/Ti 的比例為0.29，最接近文獻報道的最優(yōu)值1/3[124]。在保持納米多層涂層單一立方相結構的基礎上，Ta 含量的提升可以促進Al 固溶在TiO2氧化物中，在高溫氧化過程中直接生成熱力學穩(wěn)定的金紅石結構TiO2，而非優(yōu)先生成亞穩(wěn)態(tài)的銳鈦礦結構TiO2，再隨氧化溫度的升高，轉變?yōu)闊崃W穩(wěn)定的金紅石結構。Ta 元素的引入避免了TiO2相變過程中由于密度與熱膨脹系數的變化，導致體積膨脹對最表層結構致密的Al2O3氧化層的破壞，使O 元素無法通過破裂的氧化層縫隙向涂層內擴散，從而提升涂層體系的高溫抗氧化性。

我國在電弧離子鍍/磁控濺射復合沉積領域的研究起步時間較早。20 世紀90 年代初，航天部511所[125]開發(fā)出電弧/磁控濺射多功能鍍膜機以及IPG鍍膜工藝（TiN/TiAuN/Au 多層復合涂層），并應用于裝飾鍍膜領域。核工業(yè)西南物理研究所[126]于2005 年成功研發(fā)出柱狀電弧/中頻雙極脈沖磁控濺射多功能復合鍍膜機，通過復合沉積技術制備的TiCN 涂層在高速鋼刀具、H13 模具鋼以及鈦合金高爾夫球桿上均取得較好的使用壽命。天津師范大學的劉野[127]采用Ti 靶（電弧離子鍍）與C 靶（磁控濺射）進行共沉積，通過調節(jié)直流疊加脈沖偏壓工藝，獲得兼具高硬度與優(yōu)異表面質量的TiCN 涂層。Zou 等人采用電弧離子鍍/中頻脈沖磁控濺射復合沉積技術，先后制備出高硬度與高表面質量的CrSiN[128]以及TiSiN[129]納米復合結構涂層，并對涂層的微觀結構與抗磨損性能進行了詳細的分析表征。山東大學李士鵬等人[130]采用電弧離子鍍/中頻磁控濺射復合工藝制備了TiSiN涂層刀具，在45 淬火鋼干式切削中獲得了較好的切削性能。

東北大學的張以忱博士[131]通過電弧離子鍍/磁控濺射復合沉積工藝，制備出DLC/Ti(C,N)與DLC/(Ti,Al)N 系列硬質復合涂層，將DLC 涂層的自潤滑以及耐腐蝕性能與Ti(C,N)、(Ti,Al)N 硬質涂層的優(yōu)異力學性能有機結合，并通過電弧轟擊前處理以及多層梯度結構設計，提升了膜基結合強度，降低了涂層內應力。中國地質大學的陳新春[132]以及大連理工大學的王明娥博士[133]均采用電弧離子鍍/磁控濺射復合沉積獲得高性能DLC 復合涂層。中科院寧波材料所[134-135]近年來開發(fā)了電弧復合磁控濺射技術，制備了高溫抗氧化以及耐腐蝕的MAX 相涂層，并取得一系列研究成果。

表1 根據成分與結構的不同，列出了典型電弧/濺射復合刀具涂層的硬度及其應用。從表1 可以看出，面對高硬度模具鋼、鈦合金以及鎳基高溫合金等典型難加工材料，電弧/濺射復合刀具涂層憑借自身優(yōu)異的力學性能，實現了刀具切削性能的顯著提升。通過回顧復合沉積技術的發(fā)展歷程，可以看出該技術主要由外國學者與商用涂層公司主導與推動，國內雖然在復合沉積技術設備硬件與涂層工藝研發(fā)方面起步較早，但研究內容主要集中在涂層的微觀結構、力學性能、抗磨損以及耐腐蝕性能，而用于高速干式切削加工的刀具涂層報道相對較少，與國外高性能刀具涂層的研究水平仍有差距。先進切削技術的發(fā)展與應用對刀具涂層的力學性能、韌性、高溫抗氧化以及耐磨減摩性能提出了更高的要求，而刀具涂層性能的提升需要從材料設計與制備技術兩方面進行推動。通過材料微結構設計，獲得納米多層結構與納米復合結構，均能使PVD 涂層獲得“超硬”或“超韌”效應，是目前刀具涂層領域的研究熱點。電弧/濺射復合沉積技術則突破了單一PVD 涂層沉積技術的工藝限制，可以獲得不同沉積技術的組合優(yōu)勢。與傳統單一電弧離子鍍制備的納米多層涂層相比，電弧/濺射復合沉積可選用的靶材成分更加廣泛，不僅可以使涂層獲得多組元優(yōu)勢，帶來高溫抗氧化以及耐磨減摩性能的提升，還能通過引入非晶層打斷電弧層柱狀晶的連續(xù)生長，使涂層結構更加致密，實現硬度與韌性的協同改善。由于電弧/濺射復合沉積刀具涂層通常將電弧層作為主要功能層，與單一磁控濺射制備的納米多層相比，電弧層在沉積速率、硬度以及膜基結合力等方面具有明顯優(yōu)勢。對于納米復合結構的刀具涂層而言，以TiSiN 涂層為例，電弧/濺射復合沉積能夠分別獨立控制電弧Ti 靶與濺射Si 靶的沉積參數，方便控制涂層中納米晶TiN 與非晶SiNx的成分比例，避免TiSi 靶材在涂層制備過程中由于元素離化率的不同或者優(yōu)先濺射等問題，造成沉積涂層與靶材的元素比例出現偏差。電弧/濺射復合沉積技術的發(fā)展不僅推動了PVD 涂層沉積技術的進步，同時進一步拓寬了涂層材料設計的工藝參數窗口，尤其是在納米多層結構與納米復合結構涂層的制備上，較單一沉積技術具備更明顯的優(yōu)勢。

表1 典型電弧/濺射復合沉積刀具涂層的硬度與應用Tab.1 The hardness and application of typical AIP/MS hybrid tool coatings

作者所在的課題組為適應現代高速干式切削技術的發(fā)展，基于納米多層涂層組元多樣性以及超晶格效應等特性，開發(fā)了電弧離子鍍/磁控濺射復合沉積技術，通過結合涂層材料微結構設計與發(fā)展PVD 沉積技術，以具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性、力學性能以及較高抗氧化性的AlTiN 涂層為基礎，制備出高硬度、高結合力以及內應力可控的電弧/濺射復合AlTiN 涂層[136]以及復合AlTiN/AlCrN 涂層。制備了厚度為～3 μm 的電弧/濺射復合AlTiN 涂層車刀（簡稱H-AlTiN-3），對316L 奧氏體不銹鋼與QT600-3 球墨鑄鐵這兩種難加工材料進行干式切削，并與目前國內市場上某知名涂層企業(yè)的電弧AlTiN 涂層刀具（簡稱B-AlTiN，涂層厚度～3 μm）進行切削性能對比，從圖15 中可以看出，復合沉積AlTiN 涂層刀具在難加工材料的高速干式切削中表現出顯著的抗磨損優(yōu)勢。

圖15 AlTiN 涂層刀具連續(xù)車削的后刀面磨損曲線Fig.15 The flank wear curve of AlTiN coated inserts during continuous turning (a) 316Ll stainless steel and (b) QT600-3 nodular cast iron

4 總結與展望

伴隨著我國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國轉型，高檔數控機床與機器人、航空航天裝備、先進軌道交通設備、節(jié)能與新能源汽車等行業(yè)快速發(fā)展，涉及到大量難加工材料的使用以及先進切削加工技術的運用，這對切削刀具的服役性能提出了更高的要求。通過回顧電弧/濺射復合沉積技術的發(fā)展歷史，可以看出與單一沉積技術相比，復合沉積能夠組合電弧離子鍍離化率高、膜基結合力強與磁控濺射靶材成分選擇廣泛、內應力可調的技術優(yōu)勢，規(guī)避單一沉積技術的固有缺陷，并可通過納米多層以及納米復合結構設計，獲得高性能的硬質涂層，從而顯著提升刀具的切削性能。面對不同的難加工材料，電弧/濺射復合沉積技術能夠實現對涂層成分與結構的定制化設計，提升切削加工效率。但是需要指出的是，無論是技術開發(fā)，還是涂層的商用化推廣，國外研究機構與涂層公司均處于領先地位。針對高硬度模具鋼、奧氏體不銹鋼以及球墨鑄鐵等一系列難加工材料，國內的相關企業(yè)尚缺乏電弧/濺射復合沉積刀具涂層的解決方案。雖然國內電弧/濺射復合沉積技術的發(fā)展起步時間較早，但應用于先進切削加工的刀具涂層的研究報道較少，無論是學術研究，還是工業(yè)產品，與國外高性能刀具涂層相比仍有差距。在實際生產應用中，受限于復合沉積工藝的復雜性，探索穩(wěn)定可靠的制備參數需要較多的理論基礎和大量的前期工作積累，例如沉積氣氛會影響靶材“毒化”程度和沉積速率，從而改變納米多層涂層中的調制結構及其力學性能，客觀上限制了電弧/濺射復合沉積技術的大規(guī)模推廣與應用。此外，針對電弧/濺射復合沉積技術的基礎研究，仍有諸多問題需要關注與解決：一是納米多層結構中電弧層與磁控層之間界面生長機制及其界面結構與使用性能的相關性，目前依舊缺乏深入的研究報道；二是當兩種沉積技術共同使用時，不同陰極產生的等離子體之間的相互影響機制尚不明晰。