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“没有金刚钻,不揽瓷器活。”众所周知,在工具外面涂上高性能涂层,能够提升工具性能和使用寿命。“这就好比穿上了金刚外衣一样平常。”近年来,纳米复合涂层是将纳米科学与手艺应用于硬质涂层的新产物,也是珍爱性涂层近年来的生长偏向。

然则,我国纳米复合涂层相关手艺起步较晚,外洋手艺的垄断和封锁导致海内焦点手艺、涂层性能指标和生产成本方面相对滞后,严重制约了我国制造业相关领域的生长。为此,有三个要害点亟待突破――若何实现强度和韧性的协同提升?若何在恶劣的服役条件下实现高性能涂层的要害制备手艺?若何实现涂层和工具基材之间高的连系强度?

上海理工大学质料学院的李伟教授团队,在国家科技支持设计和国家自然科学基金等项目的支持下,历经11年的产学研互助研究,携手上海工具厂有限公司和宁波盾戈涂层手艺有限公司攻克了多项要害焦点手艺。所研发的超硬纳米复合涂层质料和要害手艺荣获2020年度上海市科技提高二等奖,项目获授权发现专利32项,适用新型专利9项,揭晓论文55篇。

现在,研制出的多系列高性能纳米复合涂层产物,已批量应用于硬质合金铣刀、高性能高速钢钻头、高性能高速钢插齿刀等种种工具上,普遍应用于航空航天、汽车发念头、工程机械、轨道交通、冶金、发电能源、通用机械等众多领域。涂层工具获得了使用单元的高度评价,近三年新增产值4.06亿元,新增利润0.45亿元,取得显著的经济和社会效益。

纳米复合涂层的微观形貌。

若何酿成“超硬”】

人人都知道,在自然界中,最硬的器械就是金刚石了,它的硬度可以到达100GPa。而通常,硬度到达30-40GPa的可成为“硬级”,跨越40GPa的可称为“超硬级”。

可是,若是一味追求“硬度”,往往会泛起涂层破碎的征象。“这样一来,刀具就要频仍替换,成本一下子就上来了。”实在,工业的生长和提高不仅要求涂层具有高硬度和耐磨性,以保证工具外面的高切削能力或高耐磨损性能,同时要求其具有高的韧性,以抑制涂层因袭击载荷等导致的脆性断裂。“然而,质料的强韧化是一对矛盾,这要求纳米复合涂层必须攻克高硬度、高耐磨与高韧性协同优化的手艺难题。”李伟教授先容。

怎么破解?李伟教授团队经由数千次的试验后,提出了纳米复合涂层的共格界面强化机制。简朴地说,就是通过在纳米复合涂层的界面层中掺杂微量元素,使界面层进一步多相化,再通过优化界面层厚度使纳米复合涂层内部形成共格界面,行使界面层的相星散对纳米复合涂层的内部结构举行支解,使纳米复合涂层中晶粒进一步细化,可在其内部形成更多界面,这些界面的存在有利于缓解涂层内部的应力集中,并对微裂纹的扩散起到阻碍作用,从而对纳米复合涂层起到增韧效果。这一手艺,实现了纳米复合涂层的硬度、耐磨性、韧性的协同提升。其中,通过优化后的TiAlSiN纳米复合涂层硬度到达43.2GPa、同时珍爱优异的韧性。

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纳米复合涂层的结构示意图。

此外,李伟教授团队基于界面层多相化增韧机制设计了差异质料系统的TiSiNiN、NbSiCN、ZrNiYN和TiSiCN纳米复合涂层,通过界面层掺杂使纳米复合涂层界面层发生多相化,在纳米晶粒和界面相之间出现共格外延生长的条件下,进一步提升纳米复合涂层的韧性。

【若何制备“金刚衣”】

找到了方式,是不是很容易制备?谜底是否认的。

“纳米复合涂层能否展现出优异性能,要害得知足两点:一个是微结构条件,另一个是因素条件。”李伟教授注释,微结构条件要求在涂层内部形成界面相包裹纳米晶粒的复合结构、以及界面相与纳米晶粒之间的共格界面;因素条件是对纳米复合涂层各元素因素举行准确控制,尤其对界面相举行元素掺杂时。

经由频频实验推敲后,李伟教授团队基于物理气相沉积手艺,联手互助企业开发了具有纳米复合结构和共格界面的反映溅射离子镀膜要害制备手艺、实现纳米复合涂层因素准确控制的复合靶材手艺,实现了获得优异性能要求的微结构和因素条件。

这还远远不够。

工具在服役历程中遭受很大的载荷,纳米复合涂层对工具起到珍爱作用的要害条件是――涂层与基材具有较高的连系强度。否则,纵然涂层的性能再高,也会由于过早脱落而起不到珍爱作用。尤其是随着工具服役条件的愈发恶劣对涂层连系强度提出更为苛刻的要求。

然而,纳米复合涂层与基材具有差其余热膨胀系数和点阵常数,因此在连系界面处将发生较大内应力,若何提升涂层与基材的连系强度是涂层有用施展作用的先决条件。为此,针对工具常用的硬质合金、高速钢等基材,李伟团队研发了纳米复合涂层的要害前处置手艺和适用于差异涂层的梯渡过渡层手艺,降低了纳米复合涂层与基材之间由于热膨胀系数和点阵常数差异带来的内应力,提升了涂层与基材的连系强度。其中,TiAlSiN和TiSiCN纳米复合涂层在硬质合金上的连系强度跨越60牛顿。

纳米复合涂层刀具。

现实应用的效果已经展现。

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