“沒有金剛鑽，不攬瓷器活。”眾所周知，在工具表面塗上高效能塗層，能夠提升工具效能和使用壽命。“這就好比穿上了金剛外衣一般。”近年來，奈米複合塗層是將奈米科學與技術應用於硬質塗層的新產物，也是保護性塗層近年來的發展方向。
但是，我國奈米複合塗層相關技術起步較晚，國外技術的壟斷和封鎖導致國核心心技術、塗層效能指標和生產成本方面相對滯後，嚴重製約了我國製造業相關領域的發展。為此，有三個關鍵點亟待突破——如何實現強度和韌性的協同提升？如何在惡劣的服役條件下實現高效能塗層的關鍵製備技術？如何實現塗層和工具基材之間高的結合強度？
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專案的支援下，歷經11年的產學研合作研究，攜手上海工具廠有限公司和寧波盾戈塗層技術有限公司攻克了多項關鍵核心技術。所研發的超硬奈米複合塗層材料和關鍵技術榮獲2020年度上海市科技進步二等獎，專案獲授權發明專利32項，實用新型專利9項，發表論文55篇。
目前，研製出的多系列高效能奈米複合塗層產品，已批次應用於硬質合金銑刀、高效能高速鋼鑽頭、高效能高速鋼插齒刀等各種工具上，廣泛應用於航空航天、汽車發動機、工程機械、軌道交通、冶金、發電能源、通用機械等眾多領域。塗層工具獲得了使用單位的高度評價，近三年新增產值4。06億元，新增利潤0。45億元，取得明顯的經濟和社會效益。
奈米複合塗層的微觀形貌。
【
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”，往往會出現塗層破裂的現象。“這樣一來，刀具就要頻繁更換，成本一下子就上來了。”其實，工業的發展和進步不僅要求塗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效能，同時要求其具有高的韌性，以抑制塗層因衝擊載荷等導致的脆性斷裂。“然而，材料的強韌化是一對矛盾，這要求奈米複合塗層必須攻克高硬度、高耐磨與高韌性協同最佳化的技術難題。”李偉教授介紹。
怎麼破解？李偉教授團隊經過數千次的試驗後，提出了納米複合塗層的共格介面強化機制。簡單地說，就是透過在奈米複合塗層的介面層中摻雜微量元素，使介面層進一步多相化，再透過最佳化介面層厚度使奈米複合塗層內部形成共格介面，利用介面層的相分離對奈米複合塗層的內部結構進行分割，使奈米複合塗層中晶粒進一步細化，可在其內部形成更多介面，這些介面的存在有利於緩解塗層內部的應力集中，並對微裂紋的擴散起到阻礙作用，從而對奈米複合塗層起到增韌效果。這一技術，實現了納米複合塗層的硬度、耐磨性、韌性的協同提升。其中，透過最佳化後的TiAlSiN奈米複合塗層硬度達到43。2GPa、同時保護優異的韌性。
奈米複合塗層的結構示意圖。
此外，李偉教授團隊基於介面層多相化增韌機制設計了不同材料體系的TiSiNiN、NbSiCN、ZrNiYN和TiSiCN奈米複合塗層，透過介面層摻雜使奈米複合塗層介面層產生多相化，在奈米晶粒和介面相之間呈現共格外延生長的前提下，進一步提升奈米複合塗層的韌性。
【如何製備“金剛衣”】
找到了方法，是不是很容易製備？答案是否定的。
“奈米複合塗層能否展現出優異效能，關鍵得滿足兩點：一個是微結構條件，另一個是成分條件。”李偉教授解釋，微結構條件要求在塗層內部形成介面相包裹奈米晶粒的複合結構、以及介面相與奈米晶粒之間的共格介面；成分條件是對奈米複合塗層各元素成分進行精確控制，尤其對介面相進行元素摻雜時。
經過反覆實驗推敲後，李偉教授團隊基於物理氣相沉積技術，聯手合作企業開發了具有奈米複合結構和共格介面的反應濺射離子鍍膜關鍵製備技術、實現奈米複合塗層成分精確控制的複合靶材技術，實現了獲得優異效能要求的微結構和成分條件。
這還遠遠不夠。
工具在服役過程中承受很大的載荷，奈米複合塗層對工具起到保護作用的關鍵前提是——塗層與基材具有較高的結合強度。否則，即使塗層的效能再高，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惡劣對塗層結合強度提出更為苛刻的要求。
然而，奈米複合塗層與基材具有不同的熱膨脹係數和點陣常數，因此在結合介面處將產生較大內應力，如何提升塗層與基材的結合強度是塗層有效發揮作用的先決條件。為此，針對工具常用的硬質合金、高速鋼等基材，李偉團隊研發了納米複合塗層的關鍵前處理技術和適用於不同塗層的梯度過渡層技術，降低了奈米複合塗層與基材之間由於熱膨脹係數和點陣常數差異帶來的內應力，提升了塗層與基材的結合強度。其中，TiAlSiN和TiSiCN奈米複合塗層在硬質合金上的結合強度超過60牛頓。
奈米複合塗層刀具。
實際應用的效果已經顯現。
在航空航天領域，針對鈦合金難加工材料的特性，該系列塗層刀具與普通不塗層刀具相比，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量好。在汽車領域，開發的塗層擠壓絲錐，在高碳連桿的加工方面，塗層刀具取得明顯成功，塗層M16擠壓絲錐，在加工碳50材料方面，連續攻絲達2000餘孔，超過進口刀具壽命；開發的塗層M18擠壓絲錐，在加工42CrMo曲軸方面，加工壽命達到1000餘孔，也成功替代進口產品。在齒輪加工領域，塗層高速鋼齒輪滾刀與傳統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，公司的塗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，開發的塗層高效能高速鋼鑽頭和塗層高效能螺旋槽絲錐在起重機迴轉支撐65Mn材料加工方面，成功替代進口，批次供貨。
