基于ALD 低溫制備的納米涂層刀具性能研究

王睿，唐思文，劉德順，劉騫，卞凱，李佩真

（湖南科技大學(xué) a.機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室b. 深海深地礦產(chǎn)資源開發(fā)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，湖南 湘潭 411201）

隨著產(chǎn)品制造精度的要求不斷提高，零部件的小微化已成提高產(chǎn)品精度的必然選擇，微細(xì)加工技術(shù)已迎來技術(shù)革新的熱潮，對(duì)微刀具的力學(xué)性能提出了更高要求[1]。對(duì)于金屬連續(xù)微切削加工，高負(fù)載環(huán)境下的切屑流與前刀面的相互摩擦，以及刀具刃圓半徑-吃刀深度間的尺寸效應(yīng)，是導(dǎo)致微刀具磨損、失效的主要原因[2-3]。大量研究表明，表面涂層技術(shù)可以有效提高刀具的力學(xué)性能[4-7]，不同材料的涂層對(duì)刀具的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等力學(xué)性能的提升各不相同[8-9]。諸多研究學(xué)者僅考慮了普通刀具表面的宏觀強(qiáng)化處理，對(duì)微細(xì)刀具的表面強(qiáng)化卻鮮有報(bào)道。

微切削刀具的刃圓半徑與切削厚度處于同一數(shù)量級(jí)，因此比普通刀具的切削機(jī)理更加復(fù)雜[10-11]。其加工載荷形式從以剪切為主（傳統(tǒng)切削）變化到以摩擦、擠壓或耕犁為主[12]。同時(shí)，刀具的幾何結(jié)構(gòu)也降低了刀具的剛性，導(dǎo)致切削過程中損耗、折斷現(xiàn)象嚴(yán)重[13-14]?，F(xiàn)階段，傳統(tǒng)的物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）表面涂層技術(shù)已不再適用于微細(xì)切削領(lǐng)域。D. NEVES 等人[15]制備了CVD 涂層刀具，發(fā)現(xiàn)CVD 涂層缺陷表現(xiàn)為涂層內(nèi)部含有3 μm 的氣泡，其尺寸大小已與微切削用量的數(shù)量級(jí)相當(dāng)。J.GERTH 等人[16]對(duì)干切削下的PVD 涂層滾刀磨損狀況進(jìn)行了系列研究，結(jié)果表明，隨著涂層厚度的增加，內(nèi)部應(yīng)力會(huì)迅速增大，導(dǎo)致刀具鈍圓半徑磨損劇烈。石緒忠等人[17]用等離子噴涂方法制備了納米氧化鋁鈦涂層，并研究了其力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)納米涂層比微米涂層擁有更好的耐磨性和韌性。K. ASLANTAS 等人[18]在700 ℃的條件下，通過熱絲氣相沉積技術(shù)制備了納米金剛石涂層微銑刀，并進(jìn)行了切削試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，700 ℃的高溫對(duì)微銑刀產(chǎn)生了負(fù)面影響，其力學(xué)性能比普通刀具更差。

上述學(xué)者在刀具表面涂層強(qiáng)化方面做了較多研究工作，但其研究還主要集中在傳統(tǒng)的涂層制備技術(shù)上。此類涂層制備技術(shù)均采用高溫沉積[19-20]，并且這種高溫條件下制備的涂層附帶一定的殘余應(yīng)力，會(huì)對(duì)剛性較低的微切削刀具基底產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，所制備出的硬質(zhì)涂層厚度均在微米級(jí)[21]，增加了微刀具的刃圓半徑，鈍化了刃口，從而增加了切削比能，嚴(yán)重降低了刀具的切削性能，同時(shí)也是帶來尺寸效應(yīng)的根源[22]。本文采用原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD）技術(shù)，在低溫條件下制備了納米Al2O3涂層刀具，并對(duì)其進(jìn)行了系列力學(xué)性能表征，研究了不同厚度納米涂層刀具的硬度、強(qiáng)度、斷裂韌性及摩擦磨損性能，為新型微刀具的強(qiáng)化設(shè)計(jì)及表面強(qiáng)化技術(shù)提供了一種有效手段。

1 試驗(yàn)

1.1 納米涂層的低溫制備

市購YT5 方形硬質(zhì)合金車刀片，試驗(yàn)刀片尺寸為16 mm×16 mm×4.5 mm，前角為0°，后角為11°，主偏角為75°，刃傾角為–6°，刀具刃圓半徑為0.2 mm。將刀具依次用丙酮、無水乙醇各進(jìn)行720 s 的超聲清洗，去除刀具表面雜質(zhì)，保證涂層與基體的結(jié)合力。以制備納米Al2O3涂層為例，其自限制化學(xué)吸附反應(yīng)為：

試驗(yàn)所選前驅(qū)體分別為三甲基鋁（TMA）和去離子水（H2O），反應(yīng)溫度為200～300 ℃，真空度≤50 Pa。具體制備步驟為：（1）反應(yīng)腔抽真空至50 Pa以下，加熱至200 ℃，恒溫30 min。恒溫的主要目的是為了預(yù)熱基體，使之達(dá)到化學(xué)吸附反應(yīng)條件，還可以顯著降低涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力[23]。（2）利用載氣將 TMA 前驅(qū)體送入反應(yīng)腔，載氣氣體流量為200 mL/min，脈沖時(shí)間為0.2～0.4 s，基體表面自吸附反應(yīng)時(shí)間為0.03 s，充分反應(yīng)后，抽出反應(yīng)副產(chǎn)物氣體CH4，清掃腔室5 s。（3）利用載氣通入去離子水至反應(yīng)腔，使其與表面的TMA 基團(tuán)反應(yīng)0.1～0.2 s，形成單層Al2O3涂層，清掃腔室5 s。（4）分別循環(huán)上述步驟455、903、1818 次，制備出不同厚度的納米Al2O3涂層刀具。（5）將所制備的納米涂層刀具隨爐冷卻至室溫，以抑制涂層內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生[24]。所制備的刀具如圖1 所示，每種納米涂層厚度各制備4 組，普通無涂層刀具1 組。

圖1 不同顏色的納米Al2O3 涂層Fig.1 Nano-alumina coatings with different colors

采用ALD 方法可以在低溫條件下制備出理想厚度的納米涂層。不同厚度的納米Al2O3涂層刀具與非涂層刀具所呈現(xiàn)的顏色為：灰色（無涂層）、褐色（50 nm）、藍(lán)色（100 nm）、紫色（200 nm）。這是由于不同納米厚度薄膜的不同折射率引起的顏色減反定理[25]。

1.2 微觀組織分析及性能測(cè)試方法

使用原子力顯微鏡觀察刀面納米涂層的顯微組織，分析評(píng)估刀具表面質(zhì)量。采用光譜橢偏儀（J.A.Woollam Alpha-SE）測(cè)量ALD 納米Al2O3涂層的厚度，激光波長為390～890 nm，激光入射角為70°。

對(duì)納米涂層刀具進(jìn)行壓痕、三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)目標(biāo)刀具的硬度、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。壓痕實(shí)驗(yàn)儀器采用HV-30 型維氏硬度計(jì)，壓痕載荷為294 N，保壓時(shí)間為10 s。三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)儀器為濟(jì)南試金集團(tuán)的萬能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，將刀具試樣置于跨距為12.5 mm的V 型支架上，對(duì)其施加速度為0.3 mm/min 的勻速載荷，直至刀具試樣斷裂。

采用瑞士CSM 劃痕試驗(yàn)儀（MCT3）測(cè)試納米涂層與基體材料的結(jié)合力大小，檢測(cè)參數(shù)見表1。采用高速往復(fù)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同刀具的摩擦系數(shù)，實(shí)驗(yàn)條件見表2。

表1 劃痕實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters of the Scratch test

表2 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)條件Tab.2 Test load of friction and wear

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

納米Al2O3涂層的原子力顯微形貌如圖2 所示?？梢钥闯觯繉右迅采w至整個(gè)刀具表面，呈明顯的層狀形式，無滴狀氣泡和破損點(diǎn)。這說明低溫沉積過程中，涂層內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力較小，不會(huì)影響涂層的質(zhì)量。

圖2 納米Al2O3 涂層微觀形貌Fig.2 Microstructure of nano-alumina coating

2.2 涂層厚度

使用橢偏儀測(cè)出各樣本刀具的涂層厚度，如圖3所示。涂層厚度誤差范圍均在納米級(jí)，控制精度在納米級(jí)。這主要是由于ALD 涂層的生長機(jī)制為交替飽和的氣-固相表面反應(yīng)，當(dāng)?shù)毒弑砻娴幕瘜W(xué)吸附飽和后，表面反應(yīng)的前驅(qū)體數(shù)量不再隨著時(shí)間增加，因此涂層厚度僅與ALD 循環(huán)次數(shù)有關(guān)[26]。對(duì)刀具刃口涂層的精確控制有利于獲得更加理想的刃線和切削剪切角，在抑制微切削刃口尺寸效應(yīng)方面具有廣闊的前景[27]。

圖3 納米Al2O3 涂層厚度Fig.3 The coating thickness of nano-alumina coating

2.3 力學(xué)性能

不同刀具的壓痕形貌如圖4 所示。根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)原理，壓痕對(duì)角線線長是反應(yīng)材料抵抗硬物進(jìn)入材料能力大小的關(guān)鍵指標(biāo)，而裂紋長度則是反應(yīng)斷裂韌性的具體體現(xiàn)。計(jì)算出不同厚度涂層刀具的硬度、彎曲強(qiáng)度及斷裂韌性結(jié)果，見表3。

在50～200 nm 涂層厚度內(nèi)，隨著厚度的增加，刀具硬度呈先增后減的變化趨勢(shì)。其中100 nm 涂層厚度刀具的硬度最高，相對(duì)于無涂層刀具，提升3%左右。納米涂層同時(shí)也提高了刀具的斷裂韌性，但提升效果并不明顯，而刀具的彎曲強(qiáng)度并無改變。對(duì)微切削刀具而言，即便是提升少許的力學(xué)性能，仍然可以顯著提高刀具的使用壽命。凌平等人[28]通過控制碳含量，改變了微銑刀的力學(xué)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硬度只增加56 N/mm2的微銑刀，其平均使用壽命卻可以延長0.1 倍左右。

不同刀具的斷口形貌如圖5 所示?？梢钥闯?，納米涂層刀具與無涂層刀具的斷裂特征一致，均是以穿晶斷裂為主、局部區(qū)域的沿晶斷裂為輔的脆性斷裂，含有撕裂棱以及少量韌窩，說明材料整體的脆硬性較高。200 ℃的沉積溫度并未達(dá)到刀具基體晶相組織的相變溫度，因此沒有影響基體材料的形態(tài)分布，不會(huì)對(duì)刀具的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖4 不同刀具的壓痕形貌Fig.4 Indentation morphology of different tools: a) YT5 tool; b) 50 nm coated tool; c) 100 nm coated tool; d) 200 nm coated tool

表3 維氏硬度、彎曲強(qiáng)度及斷裂韌性Tab.3 Vickers hardness, bending strength and fracture toughness

圖5 不同刀具的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of different tools: a) YT5 tool; b) 50 nm coated tool; c) 100 nm coated tool; d) 200 nm coated tool

2.4 涂層結(jié)合力

不同厚度涂層刀具的聲發(fā)信號(hào)結(jié)果如圖6 所示。當(dāng)劃痕儀劃破納米涂層時(shí)，會(huì)發(fā)生微弱的聲信號(hào)，但是當(dāng)劃針劃過刀具表面微坑時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生聲信號(hào)，導(dǎo)致聲發(fā)信號(hào)不純。因此不能僅通過聲發(fā)信號(hào)與劃痕載荷大小判斷涂層-基體結(jié)合力，應(yīng)當(dāng)對(duì)比涂層破損位置、聲發(fā)信號(hào)及劃痕載荷三者關(guān)系得出涂層的真實(shí)結(jié)合力。

圖6 中a、b、c 三點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)涂層脫落的三個(gè)階段的起始點(diǎn)。點(diǎn)b 以后，涂層開始產(chǎn)生微裂紋和破裂斑點(diǎn)，表明涂層與基體開始破碎、分離。因此，點(diǎn)b所對(duì)應(yīng)載荷記為涂層-基體脫落的臨界載荷，即涂層結(jié)合力。其對(duì)應(yīng)的載荷力分別為11.07 N（50 nm）、12.74 N（100 nm）和7.86 N（200 nm）。在50～200 nm涂層厚度內(nèi)，隨著涂層厚度的增加，涂層-基體結(jié)合力的呈先增后降的趨勢(shì)，均大于3 N（微切削載荷范圍）[29-30]。因此，ALD 納米涂層在微切削過程中，仍會(huì)與基體表現(xiàn)出良好的結(jié)合狀態(tài)。

涂層脫落的三個(gè)主要階段（圖7）：（1）開始脫落階段，涂層開始收縮，產(chǎn)生塑性變形，覆蓋面積開始減小，劃痕周圍出現(xiàn)少許白色金屬色澤，但涂層還未開始脫落，僅存在局部的塑性變形。（2）脫落階段，涂層塑性變形急劇加大，劃痕周圍出現(xiàn)黑色微裂紋，涂層表面也開始破裂，形成黑色斑點(diǎn)，涂層脫離基體表面。（3）嚴(yán)重脫落階段，劃痕裂紋加深，變成深黑色裂痕，涂層表面開始形成黑色破裂帶，涂層開始完全破碎、失效。

2.5 摩擦磨損性能

圖6 聲發(fā)信號(hào)、載荷力與涂層破裂位置的關(guān)系Fig.6 Relation diagram of acoustic signal, load force and coating rupture position: a) 50 nm coating; b) 100 nm coating; c) 200 nm coating

圖7 不同厚度涂層脫落過程Fig.7 Dropping process of coatings with different thickness: a) coating plastic deformation stage; b) the coating begins to fall off;c) severe peeling off stage of coating

圖8 不同刀具的摩擦系數(shù)Fig.8 Friction coefficient of different tools: a) YT5 tool; b) 50 nm coated tool; c) 100 nm coated tool; d) 200 nm coated tool

在室溫干式環(huán)境下，不同厚度納米Al2O3涂層摩擦系數(shù)的變化曲線如圖8 所示。涂層摩擦過程主要分為三個(gè)階段，在圖8 中用a、b、c 三點(diǎn)表示。本實(shí)驗(yàn)取c 點(diǎn)以后（未涂層刀具取b 點(diǎn)以后）穩(wěn)定摩擦階段的摩擦系數(shù)平均值為最終摩擦系數(shù)，各刀具的摩擦系數(shù)分別為：0.78（YT5）、0.56（50 nm 涂層）、0.43（100 nm 涂層）、0.67（200 nm 涂層）。結(jié)果表明，100 nm 涂層刀具的摩擦系數(shù)最低，比未涂層刀具降低40%以上，而200 nm 涂層刀具因?yàn)橥繉舆^早失效，因此對(duì)摩擦系數(shù)的降低效果并不理想。

具體的摩擦階段形式如圖9 所示。結(jié)合圖8 所示的各點(diǎn)，a—b 段為摩擦抵抗階段，隨著刀具表面摩擦抗力Fr不斷增加，摩擦系數(shù)顯著增大，此外表面涂層產(chǎn)生塑性變形時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生與摩擦抗力方向相同的阻力Fc。因此，在a—b 段，涂層刀具的摩擦系數(shù)變化比未涂層刀具更劇烈。b—c 段為涂層刀具特有的滾動(dòng)-滑動(dòng)摩擦階段（未涂層刀具沒有此過程），此過程中，部分涂層在外力作用下破損，產(chǎn)生的納米顆粒開始潤滑摩擦副表面，將表面的滑動(dòng)摩擦形式變成滾動(dòng)-滑動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)也因此迅速減小，并且摩擦系數(shù)的減小程度與涂層破碎形成的納米顆粒數(shù)量有關(guān)。c 點(diǎn)以后為穩(wěn)定摩擦階段，此時(shí)刀具表面納米顆粒被消耗殆盡，涂層表面逐漸形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，摩擦系數(shù)漸趨于穩(wěn)定，不再劇烈變化。對(duì)于普通刀具，b 點(diǎn)以后即為穩(wěn)定摩擦階段，摩擦抗力Fr逐漸被摩擦力Ff代替，摩擦系數(shù)也趨于穩(wěn)定。圖8d 中，c 點(diǎn)后出現(xiàn)摩擦系數(shù)陡升現(xiàn)象，是因?yàn)?00 nm 厚度的涂層-基體結(jié)合力較低，在c 點(diǎn)以后，涂層已經(jīng)完全破損失效，因此不能形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，待納米顆粒消耗殆盡后，摩擦系數(shù)急劇增加。

圖9 不同材料摩擦階段Fig.9 Friction stage of different materials: a) friction resistance stage; b) rolling sliding friction stage (special for coated tools); c)friction stability stage

3 結(jié)論

1）基于ALD 低溫沉積技術(shù)，可以在YT5 刀具表面制備出表面光滑、質(zhì)量均勻的納米氧化鋁涂層。

2）基于ALD 低溫制備的 Al2O3涂層，可以提高刀具的硬度，并且200 ℃的沉積溫度不會(huì)降低刀具的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度，對(duì)微刀具的力學(xué)性能不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

3）通過循環(huán)沉積次數(shù)，可以控制ALD 納米涂層的總厚度達(dá)納米級(jí)。控制涂層的厚度有利于獲得更理想的刀具刃線和切削剪切角，在消除微切削領(lǐng)域的尺寸效應(yīng)上有廣闊的應(yīng)用前景。

4）在50～200 nm 涂層厚度內(nèi)，基于ALD 的Al2O3涂層與基體的結(jié)合力隨著涂層厚度增加，呈先增后減的趨勢(shì)，且結(jié)合力均大于微切削載荷，表明涂層在微切削過程中依然能保持良好的附著狀態(tài)。

5）基于ALD 的Al2O3涂層能夠顯著降低刀具的摩擦系數(shù)達(dá)40%以上，最小摩擦系數(shù)為0.43。