TiAlN涂层刀具研究新进展*

韩振威，林有希

(福州大学机械工程及自动化学院，福州 350002)

0 引言

涂层刀具的出现，使刀具的切削性能有了重大的突破。在过去的20年中，涂层技术在刀具行业的应用得到了快速普及，涂层刀具已成为切削加工不可缺少的主流刀具，是高速切削、数控加工等领域选择刀具材料的最佳方案之一［1］。与此同时，TiN硬质涂层在工具行业中得到了广泛的应用。然而，TiN涂层在高温性能方面表现的不足限制了它进一步的发展。于是，各国纷纷着手开发新型的涂层刀具。其中，研究人员在TiN中加入Al元素形成TiAlN涂层，由于Al元素的加入，TiAlN涂层不但在硬度、耐磨性方面优于TiN，而且大大改善了TiN涂层的抗高温性能。在当前各种新型硬质涂层当中，TiAlN涂层的产业化发展最为成熟。目前，涂层技术已发展到第四代，金刚石涂层由于成本较高，其市场推广受到了非常大的限制;立方氮化硼(CBN)是氮化硼的高温高压相，硬度仅次于金刚石，化学稳定性高，在加工灰铸铁、高温合金等具有明显优势，由于沉积技术的限制，CBN涂层还未真正进入商品化;DLC涂层缺点比较明显，其热稳定较差及黑色金属间的触媒效应，决定了它目前只能应用于加工有色金属。综合比较可以表明，TiAlN涂层技术最为成熟稳定，综合性能较高。

TiAlN涂层具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小，导热率低等优良特性。作为一种性能优异的新型涂层材料，TiAlN涂层成功的替代了TiN涂层，具有极其广阔的应用前景。对TiAlN涂层的特性、TiAlN涂层刀具的应用、TiAlN涂层刀具后处理技术以及其研究进展和发展趋势做了系统介绍。

1 TiAlN涂层的特性

1.1 高硬度

Derflinger［2］等人测得当维氏金刚石压痕深度为0.2μm时，TiAlN涂层硬度达到3000HV0.03。利用射频反应磁控溅射，在硬质合金钻头上制备的TiAlN薄膜，膜层成分的原子分数约稳定为:Ti27%、Al24%、N48%及微量O时，在硬质合金微钻主刀面和副刀面的HV硬度均为同样方法和条件制备的TiN涂层硬度的近两倍［3］。

TiAlN薄膜硬度的提高主要是由于Al元素的加入而引起的细晶强化作用，同时，由于较小尺寸的Al原子替代了Ti原子，产生晶格畸变，引入部分应力，也是薄膜硬度提高的原因之一。有学者［4］研究了Al元素的含量对TiAlN的硬度的影响，得到Ti/Al值为100/0、75/25、50/50 时，TiAlN的硬度分别为2400HV0.25、2800HV0.25、3600HV0.25。由此可见，随着Al含量的增加，TiAlN的最大硬度也随之变大。而当Al含量超过50%时，研究人员称其为AlTiN，其硬度可达3800HV。AlTiN涂层的硬度随含铝量的增加而提高，而铝含量超过60%后，铝含量提高会使涂层成产生较软的AlN相，使其硬度降低。

1.2 抗高温氧化性

由于Al元素的存在，TiAlN涂层刀具在高温作用下，表面可生成一层化学性能非常稳定的Al2O3薄膜，从而形成硬质惰性保护膜，保护涂层不被继续氧化［5］。研究者［6］用实验方法验证了800℃环境下 Al和Ti分别向涂层的表面和内层富集的现象:氧原子在Al2O3与TiO2中的扩散能分别为460KJ/mol和251KJ/mol，因此，Al2O3更能够阻止O2向涂层内部扩散。研究［7］表明TiAlN涂层的氧化温度为800℃，通过热力学计算，得到TiN与TiAlN的氧化反应能分别为136J/mol和456KJ/mol，可见TiAlN与氧更难发生反应。另外，由于在很大的温度范围内，Al2O3都比TiO2稳定。因此在高速切削中刀具外层的Al2O3氧化膜致密，与工件材料的亲和力小，有良好的热屏障作用;而内层TiO2氧化膜使得切削热不会集中在刀尖或刀刃处，容易被切屑带走。这些都使得TiAlN涂层刀具具有优良的抗高温氧化性。也有研究［8］发现，一定范围内提高TiAlN的Al含量，会引起薄膜的晶体结构和择优取向的变化以及晶格畸变，不但可以增强涂层的硬度，而且可以显著提高其抗氧化性能，工作温度高达900℃。

1.3 高结合力

TiAlN与基体具有较强的结合力，文献［1］通过多弧离子镀，在WC2Co材料上制备Ti0.67Al0.33N，其临界载荷高达90N。与传统 TiN膜(33N)相比，TiAlN的膜/基结合力有了显著的提高。Bouzakis［9］等人实验对比PVD TiN，TiAlN和TiSiN三种涂层硬质合金刀片，发现TiAlN涂层表现出比TiN和TiSiN涂层更好的粘着性能。对不同Al含量的TiAlN薄膜，测试其临界载荷，结果发现临界载荷随着Al含量的增大而呈现先减小后增大的变化，这是由于少量Al的加入使薄膜的致密性降低，从而薄膜与基体的结合力下降;但随着Al含量的继续增加，由于大量Al原子的引入消除了涂层中的孔洞、针孔等缺陷，反而使薄膜的致密性得到改善，薄膜与基体的结合力逐渐升高;在靶材中Al原子百分含量为0～50%间，膜基结合力存在极小值，而在50%时临界载荷达到最大值 114N［10］。

2 TiAlN涂层刀具的应用

作为一种新型涂层刀具，TiAlN涂层刀具适用于高速切削高温合金、淬硬钢、不锈钢、镍合金、钛合金等难加工材料。

TiAlN涂层硬质合金刀具车削镍基高温合金时，由于TiAlN涂层优越的热硬性和抗高温氧化性，切削过程中抑制了工件材料粘结到刀-工和刀-屑界面，展现出优异的切削性［11-12］。

淬硬钢是典型的难加工材料，TiAlN涂层铣刀以其优异的性能，成为高速加工淬硬钢理想的涂层刀具。近年来，德国SGS、日本住友等国外著名刀具公司先后推出了(Ti，Al)N涂层铣刀，它们能直接高速切削淬硬钢，在淬硬钢的半精加工及精加工中发挥着巨大作用。

干式铣削淬硬钢时，TiAlN涂层刀具的干式切削性能显著优于TiN和TiCN涂层［13］。有学者［14］比较了相同条件下硬质合金刀具、陶瓷刀具及TiAlN涂层刀具加工淬硬钢的切削性能。结果表明，硬质合金刀具和陶瓷刀具在铣削淬硬钢时的寿命非常低，而采用TiAlN涂层刀具时寿命显著提高，满刀铣削加工寿命是硬质合金刀具和陶瓷刀具的8～15倍。

TiAlN涂层刀具车削AISI4140淬透性合金结构钢时，TiAlN涂层刀具车削的上限速度可以达到410m/min;干式切削时，在切削速度小于260m/min时的任何速度下，TiAlN涂层刀具均表现出优良的切削性能［15］。

3 TiAlN涂层刀具后处理

涂层刀具后处理是在刀具涂层完毕之后采取某些工艺措施对涂层进行相应处理以提高涂层性能的一种技术。目前，对涂层刀具的后处理主要有刀具热处理，深冷处理;同时随着切削速度的不断提升，对涂层刀具性能的要求也越来越高，不仅要求涂层具有超硬度，耐磨性，同时也对涂层刀具表面光洁度提出了更高的要求，这使得提升涂层刀具表明光洁度的抛光处理技术也日益得到重视。

3.1 TiAlN涂层刀具热处理

TiAlN涂层刀具在退火过程中的时效硬化能力使涂层刀具在切削过程中产生“自硬化”效应，这被认为是TiAlN涂层在工业上取得成功应用的主要原因之一。当退火温度超过600℃时，由PVD沉积的过饱和TiAlN涂层分解形成c-TiN和c-AlN的相。在余下的立方TiAlN点阵中形成的纳米尺寸的立方TiN和AlN相增加了涂层的硬度，同时立方AlN相对TiAlN涂层优异的抗氧化性能起着至关重要的作用。在电弧离子镀沉积过程中，基体温度较低，涂层材料便在基体上骤然冷却，由于热膨胀系数的差别使涂层材料有不同的热收缩倾向，从而在涂层各晶粒之间产生热应力，这种应力加速了刀具的失效。而退火处理会减小TiAlN涂层刀具的这种内应力，从而提高涂层的切削性能。由于这些优点，涂层刀具的退火处理受到研究人员的广泛关注，但是在目前的工业生产中还没有得到足够的重视。

研究表明，当TiAlN涂层在700℃ ～900℃这个温度段之间进行退火处理时，TiAlN涂层的硬度、粘着强度和切削性能相比于未经退火处理的沉积态涂层均得到显著提升［16-18］。

3.2 TiAlN涂层刀具深冷处理

深冷处理是将材料置于远低于室温的温度下，按一定的工艺进行处理的过程，通过冷处理改变材料的形态来增强涂层刀具的性能。Gill［19］等人研究了低温处理对TiAlN涂层的膜/基结合强度的影响，实验发现浅度低温处理(－110℃)可以显著的增加TiAlN涂层刀具的切削寿命，而在低速切削时低温深度处理(－196℃)对TiAlN硬质合金涂层刀具的性能有破坏性影响;高速切削时，低温浅处理和深度处理均显著的增强了TiAlN涂层刀具的抗塑性变形磨损、抗剥落和抗崩刃的能力。

3.3 TiAlN涂层刀具抛光处理

通过专用设备对涂层刀具表面进行抛光处理，这种处理使涂层刀具寿命在普通涂层刀具寿命的基础上可再提高20%～100%左右。PVT公司对高铝钛涂层(AlTiN，铝/钛比例为70/30)进行抛光后处理，该涂层本身具有超硬、耐磨损、耐高温的特性，经涂层抛光处理后，可以降低涂层的残余应力，提高涂层的表面光洁度，由于膜层表面高度光滑，使刀具在切削过程中的切削阻力大大减小，增强了排屑能力，改善了切削过程中的冷却效果，提高了加工效率，延长了刀具的使用寿命。

4 TiAlN硬质涂层发展趋势

随着多元涂层技术和纳米技术的蓬勃发展，涂层多元化所带来的性能提升以及纳米技术涂层所产生的新效应，引起了研究者的广泛关注。而以TiAlN为基的多元化和纳米技术涂层更成为研究的热点，也为TiAlN涂层刀具提供了新的研究和发展方向。

4.1 TiAlN多元涂层

单层涂层刀具，由于基材与涂层两者物理匹配程度不同会影响截面应力载荷传递及涂层性能，特别是两者的硬度、弹性模量和热膨胀系数相差较远，晶格类型也不尽相同，导致了残余应力增加结合力减弱。近年来的研究结果表明，在TiAlN三元系涂层中加入其它元素(如Si、V、Cr和B等)，可形成一些特殊的纳米相，它们可显著提高涂层的综合性能。

研究发现，Si在改进(Ti，Al)N涂层的抗氧化性，耐磨性和硬度方面最能引起人们的兴趣和关注。在TiAlN涂层中加入Si时，其硬度和热稳定性得到显著的增加。硬度从TiAlN涂层的31.2GPa增加到TiAl-SiN的42.4GPa;TiAlSiN涂层展现出了较TiAlN更优的热稳定性;在切削速度为200m/min时，TiAlSiN涂层刀具寿命比TiAlN涂层的提高了近240%［20］。

TiAlN涂层中添加V可显著的提高涂层的抗腐蚀能力。采用磁控溅射技术沉积的TiAlVN涂层属于面心立方(fcc)和六方密排(hcp)二重结构，晶格常量比TiAlN涂层小，晶粒尺寸比TiAlN涂层大;用动电位极化的方法研究涂层的抗腐蚀性能，发现含V 10.20%的TiAlVN涂层的抗腐蚀性能约为TiAlN涂层的 4 倍［21］。

采用电弧离子镀技术制备多元TiAlCrN涂层，涂层主要由(Ti，Al)N和(Ti，Cr)N混合相组成，他们有较强的(220)择优取向，由于组织晶粒细小，其取向比较复杂，涂层结构呈混晶排列。在700℃的空气环境中氧化100h后，TiAlCrN涂层的结构保持完整，主要由于外部形成较稳定的 Al2O3，在内部形成了Cr2O3和TiO2氧化层，尽管涂层已经完全氧化，但是氧化层和基体仍保持充足的粘结强度，对基体有很好的保护作用［22］。

B加入TiAlN涂层可以大大提高其抗磨损性。通过B含量的变化，在加工过程中TiAlBN会通过B的扩散，形成BN和BN3，从而得到有利于切削加工的润滑膜层［23］。

4.2 TiAlN纳米技术涂层

近几年来，随着纳米技术的发展和涂镀技术的进步，纳米材料涂层刀具引起了广大研究者的关注。尽管这些涂层大多在实验室制的，但依然显示出未来在金属切削中的良好前景。在目前TiAlN涂层的基础上，通过纳米技术对其性能进行进一步提升，是当前研究的热点。纳米涂层主要有两种，纳米多层涂层和纳米复合结构。

(1)纳米多层涂层

纳米多层涂层是一种人为可控的一维周期结构，其高硬度主要是由于层内或层间位错运动困难所致。与单层涂层相比不具有单层涂层的柱状晶结构，所以非常显著的改善了硬质涂层的性能。对于周期长度在10nm以下的超点阵多层膜，其硬度、抗冲击性、耐磨性以及和基体的粘着强度都大大的优于单层膜，这也引起了人们的兴趣和关注。

通过阴极电弧蚀刻和非平衡溅射结合涂层技术制备TiAlN/VN纳米多层涂层，沉积周期为3nm时，硬度为33.5GPaHK0.025，摩擦系数为0.43，由于V的离子侵蚀，使其与基体具有较强的粘着强度。TiAlN/VN纳米多层涂层刀具寿命是未涂层刀具的三倍以上，且切削力只有TiAlCrYN的一半，并显著的降低了加工金属表面粗糙度［24］。

利用粒子束辅助沉积制备的TiAlN/TiB2纳米多层涂层，其硬度比单层TiAlN和TiB2涂层得到显著提高，并具有更低的残余应力;在调制比 tTiAlN:tTiB2为8:1且调制周期在2.2～8.8nm范围内时，硬度可达35GPa;TiAlN/TiB2纳米多层涂层在调制周期为6nm时，其破裂临界载荷可达84N［25］。

通过阴极电弧蒸发技术制备TiAlN/CrN纳米多层涂层，具有B1-NaCl晶体结构和(111)择优取向;CrN和TiAlN在TiAlN/CrN涂层中的竞争生长使得TiAlN/CrN纳米多层涂层的晶粒尺寸很小，其硬度为36～37GPa，比单层的CrN(24GPa)和TiAlN(31GPa)要高的多［26］。

(2)纳米复合涂层

纳米多层涂层虽达到了较高的硬度，但由于其性能与涂层的周期膜厚有很大关系，而在形状复杂的刀具或零件表面沉积纳米多层涂层时，涂层厚度很难控制，同时在高温工作环境下各层间的元素相互扩散也会导致涂层性能下降，采用纳米复合涂层可以解决这些问题。

利用改良中频磁控溅射系统制的TiAlSiN纳米复合涂层，通过高分辨率透射电镜发现TiN纳米晶体镶嵌在非晶态的Si3N4或AlN点阵中;该涂层展现出优异的机械性能，并且Si含量极大的影响其机械性能。TiAlSiN纳米复合涂层的高硬度主要是由于纳米晶结构阻止了塑性变形和位错的发生，同时Si会细化晶粒从而增强涂层硬度［27］。

Ti0.3Al0.7N纳米复合涂层的热硬性十分突出。在1000℃温度下，退火过程的前2h其硬度从29GPa增加到34GPa，此后到退火16h时保持在恒定的35GPa左右。退火初期硬度增加是AlN六方密排(hcp)-纤锌矿结构改变所致，而其后长时期保持硬度的稳定是由于纳米晶体的多相结构保持了粘着应力［28］。TiAlN/Si3N4的纳米复合涂层刀具具有极好的抗高温特性，在1100℃高温下可以维持稳定性和优质特性，同时硬度也维持在45GPa;高速切削高温合金时，刀具寿命是TiAlN涂层的1.7～1.8倍［29］。

沉积TiAlCrYN纳米复合涂层，Y在晶界偏析为氧气分子的扩散提供了通道，而且Y也阻止了加热时涂层纳米晶体的晶粒粗化，使得TiAlCrYN纳米复合涂层有优良的抗氧化性能，氧化温度在900℃以上.;在钻削难加工不锈钢时，刀具寿命是未涂层刀具的10 多倍［30］。

5 结束语

在高速和干式切削成为主流的今天，TiAlN涂层刀具以其优异性能已在航空航天、汽车和模具等行业得到了广泛的研究和应用，展现出广阔的应用前景。TiAlN涂层刀具应用和普及可以产生节约资源、提高效率、降低成本、改善产品质量等多重效益。但随着高速切削和干式切削对刀具提出越来越高的要求，单一涂层材料难以满足提高刀具综合机械性能的要求。目前，人们将研究重点放在了对TiAlN涂层的改进上，以满足对刀具性能不断提高的需求。因此，在今后的发展中，多元化和纳米技术涂层是TiAlN涂层刀具新的研究的热点和发展的方向，而新型工艺和后处理技术的开发和应用也将为其带来新的变革。

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