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論文推薦| 廣東工業大學王啟民教授團隊：AlTiN和AlTiN / AlCrN涂層對Ti(C, N)基金屬陶瓷性能的影響

2025-09-08 13:30:27 作者：王啟民教授團隊來源：中國表面工程分享至：

本文為廣東工業大學王啟民教授團隊撰寫發表在《中國表面工程》2025年第38卷第2期的研究論文，題為“AlTiN和AlTiN / AlCrN涂層對Ti(C, N)基金屬陶瓷性能的影響”。

Ti(C, N)基金屬陶瓷因其優異的硬度、耐磨性及抗高溫變形能力，已成為重要的切削刀具重要材料之一。但其內部金屬粘結相在高速切削中易引發粘附磨損、擴散及高溫軟化等問題，導致刀具性能下降，限制了該材料的進一步推廣和應用。物理氣相沉積技術被認為是改善 Ti(C, N)基金屬陶瓷性能的重要手段。

廣東工業大學王啟民教授團隊撰寫發表在《中國表面工程》2025年第38卷第2期的研究論文《AlTiN和AlTiN / AlCrN涂層對Ti(C, N)基金屬陶瓷性能的影響》，采用陰極弧蒸發法在 Ti(C, N)基金屬陶瓷表面分別沉積 AlTiN 和 AlTiN / AlCrN 涂層，利用 X 射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、洛氏硬度計、納米壓痕儀、摩擦磨損試驗、氧化試驗以及車削試驗，系統研究了表面涂層對金屬陶瓷力學性能、摩擦性能、抗氧化性能以及切削性能的影響規律。

引用格式

耿東森, 佘俊杰, 許雨翔, 項燕雄, 賀鵬, 梅海娟, 王啟民. AlTiN和AlTiN / AlCrN涂層對Ti(C, N)基金屬陶瓷性能的影響[J]. 中國表面工程, 2025, 38(2): 49-56.

GENG Dongsen, SHE Junjie, XU Yuxiang, XIANG Yanxiong, HE Peng, MEI Haijuan, WANG Qimin. Effect of AlTiN and AlTiN / AlCrN Coatings on the Properties of Ti(C, N)-based Cermets[J]. China Surface Engineering, 2025, 38(2): 49-56.

研究背景及目的

Ti(C, N)基金屬陶瓷憑借硬度高、耐磨性和抗高溫變形能力優異，以及原材料（鈦、鎳）資源豐富且成本低廉的優勢，成為替代傳統WC-Co硬質合金的重要切削刀具材料。然而，Ti(C, N)基金屬陶瓷中金屬粘結相在高速切削中易引發粘附磨損、擴散及高溫軟化，導致刀具性能下降，尤其在加工鋼或鑄鐵時問題突出。盡管表面涂層技術（如AlTiN、AlCrN）在硬質合金刀具中已廣泛應用，可通過形成熱屏障和化學屏障提升性能，但其對Ti(C, N)基金屬陶瓷的影響機制尚不明確。本研究旨在通過陰極弧蒸發法在Ti(C, N)基金屬陶瓷表面沉積AlTiN和AlTiN/AlCrN涂層，探究涂層對其力學性能（硬度、斷裂韌性）、摩擦性能、高溫抗氧化性及切削壽命的影響規律，明確表面涂層對Ti(C, N)基金屬陶瓷綜合性能的強化機制，為開發高性能金屬陶瓷刀具提供理論支持，推動其在高速切削領域的應用。

創新點

采用陰極弧蒸發技術在Ti(C, N)基金屬陶瓷表面分別沉積AlTiN和AlTiN/CrAlN涂層，系統研究了表面涂層對金屬陶瓷力學性能、摩擦性能、抗氧化性能以及切削性能的影響，目前金屬陶瓷表面涂層研究較少，有較好的創新性。此外，本研究通過結合AlTiN與AlCrN構建的AlTiN/AlCrN納米多層涂層，展現出高的硬度和優異高溫抗氧化性能，可顯著提高金屬陶瓷的斷裂韌性、耐磨性和切削壽命，為Ti(C, N)基金屬陶瓷刀具性能的改進提供了新的解決思路，有望推動金屬陶瓷刀具在高速切削領域的應用。

試驗方法

1）材料準備

選取Ti(C, N)基金屬陶瓷作為基材，采用陰極弧蒸發法分別在其表面沉積了AlTiN涂層和AlTiN/AlCrN多層涂層。

2）涂層制備

采用陰極弧蒸發法進行涂層沉積，AlTiN涂層采用Al₆₇Ti₃₃靶材制備，AlTiN/AlCrN納米多層涂層采用Al₆₇Ti₃₃與Al₆₀Cr₄₀靶材制備。為保證膜基結合力，先沉積一層AlTiN底層。在實驗中，通過調整沉積時間、沉積偏壓、氣壓等參數，控制涂層的厚度和結構。

3）涂層的結構和性能表征

表面形貌和結構分析：采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察涂層的表面和截面形貌；使用能譜儀（EDS）分析涂層中各元素的含量；使用X射線衍射（XRD）分析涂層的物相結構。

結合力測試：采用大載荷劃痕儀評估涂層與基體結合強度。

硬度測試：采用納米壓痕儀測量樣品的硬度和彈性模量。

摩擦磨損測試：采用往復摩擦磨損試驗機在室溫下測量涂層摩擦系數，利用超景深顯微鏡測量磨痕截面面積，依據Archard公式計算涂層磨損率。

抗氧化性測試：采用箱式氣氛爐進行氧化實驗，并結合SEM和EDS分析樣品的氧化層厚度以及元素分布。

切削性能測試：采用干式車削實驗對涂層Ti(C, N)基金屬陶瓷的切削性能進行評估，利用光學顯微鏡測量刀具后刀面磨損情況。

實驗設計覆蓋涂層制備-結構-性能全鏈條，為揭示涂層強化機制提供數據支撐。

結論展望

（1）

由于納米多層結構的共格外延生長強化效應，AlTiN/AlCrN納米多層涂層展現出最高的硬度36.1±1.6 GPa。AlTiN和AlTiN/AlCrN涂層較高的H³/E²值，可有效提高表面的裂紋擴展抗性，因此經過表面沉積AlTiN和AlTiN/AlCrN涂層的Ti(C, N)基金屬陶瓷斷裂韌性得到明顯提升。

圖 1 Ti(C, N)基金屬陶瓷基體、AlTiN 和 AlTiN / AlCrN 涂層的硬度（H）、彈性模量（E）和 H³ / E²值

Fig. 1 Hardness (H), elastic modulus (E) and H³ / E² ratio of Ti(C, N)-based cermet, AlTiN and AlTiN / AlCrN coatings

圖 2 未涂層和表面沉積 AlTiN、AlTiN / AlCrN 涂層的 Ti(C, N)基金屬陶瓷斷裂韌性

Fig. 2 Fracture toughness of uncoated, TiAlN and AlTiN / AlCrN coated Ti(C, N)-based ceramic

（2）

AlTiN和AlTiN/AlCrN涂層的高硬度和H³/E²值，可有效改善金屬陶瓷的耐磨性。高溫氧化過程中，涂層表面生成的致密氧化膜可有效阻礙氧元素的內擴散，提升金屬陶瓷的抗氧化性。

圖 3 未涂層和表面沉積 AlTiN、AlTiN / AlCrN 涂層的 Ti(C, N)基金屬陶瓷的摩擦因數和磨損率

Fig. 3 Friction factor and wear rates of uncoated, AlTiN and AlTiN / AlCrN coated Ti(C, N)-based cermet

圖4 800 ℃恒溫氧化5 h后Ti(C, N)基金屬陶瓷的截面形貌

Fig. 4 Cross-sectional SEM images of Ti(C, N)-based cermets after isothermal oxidation at 800 ℃ for 5 h

圖 5 800 ℃恒溫氧化 5 h 后 Ti(C, N)基金屬陶瓷的 EDX 線掃描結果

Fig. 5 EDX line scan of Ti(C, N)-based cermets after isothermal oxidation at 800 ℃ for 5 h

（3）

由于表面涂層兼具高硬度、低摩擦系數和優異抗氧化性的特性，因此經過涂層后金屬陶瓷刀具的切削壽命得到顯著提升。

圖 6 未涂層和表面沉積 AlTiN、AlTiN / AlCrN 涂層的 Ti(C, N)基金屬陶瓷刀具干式車削 42CrMo 的壽命曲線

Fig. 6 Lifetime of uncoated, TiAlN and AlTiN / AlCrN coated Ti(C, N)-based cermet insert during dry turning of 42CrMo steel

課題組簡介

論文主創

王啟民

二級教授、博士研究生導師，曾入選國家高層次人才、國家基金優秀青年科學基金、廣東省“珠江學者”特聘教授、德國洪堡學者等。自1998年參加工作以來，一直在物理氣相沉積（PVD）涂層領域工作，先后在中國科學院金屬所、韓國釜山大學NCRC國家核心研究中心、德國勃蘭登堡工業大學工作，2012年入職廣東工業大學，建立先進制造表面工程研發團隊，突破了復合等離子體的調控和兼容難題，自主研發設計出多功能PVD涂層裝備；與行業代表性企業合作，在新型涂層技術和裝備設計，涂層材料設計、結構和性能調控、應用關鍵技術等方面取得創新成果，解決高速切削涂層刀具、精密模具和關鍵零部件耐磨和功能涂層的關鍵技術難題，獲省部級獎項4項、行業協會獎項4項。在業內獲得認可，帶領團隊解決多項企業發展急需突破的技術難題。

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