论文推荐| 广东工业大学王启民教授团队：AlTiN和AlTiN / AlCrN涂层对Ti(C, N)基金属陶瓷性能的影响

2025-09-08 13:30:27 作者：王启民教授团队来源：中国表面工程分享至：

本文为广东工业大学王启民教授团队撰写发表在《中国表面工程》2025年第38卷第2期的研究论文，题为“AlTiN和AlTiN / AlCrN涂层对Ti(C, N)基金属陶瓷性能的影响”。

Ti(C, N)基金属陶瓷因其优异的硬度、耐磨性及抗高温变形能力，已成为重要的切削刀具重要材料之一。但其内部金属粘结相在高速切削中易引发粘附磨损、扩散及高温软化等问题，导致刀具性能下降，限制了该材料的进一步推广和应用。物理气相沉积技术被认为是改善 Ti(C, N)基金属陶瓷性能的重要手段。

广东工业大学王启民教授团队撰写发表在《中国表面工程》2025年第38卷第2期的研究论文《AlTiN和AlTiN / AlCrN涂层对Ti(C, N)基金属陶瓷性能的影响》，采用阴极弧蒸发法在 Ti(C, N)基金属陶瓷表面分别沉积 AlTiN 和 AlTiN / AlCrN 涂层，利用 X 射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、洛氏硬度计、纳米压痕仪、摩擦磨损试验、氧化试验以及车削试验，系统研究了表面涂层对金属陶瓷力学性能、摩擦性能、抗氧化性能以及切削性能的影响规律。

引用格式

耿东森, 佘俊杰, 许雨翔, 项燕雄, 贺鹏, 梅海娟, 王启民. AlTiN和AlTiN / AlCrN涂层对Ti(C, N)基金属陶瓷性能的影响[J]. 中国表面工程, 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)基金属陶瓷凭借硬度高、耐磨性和抗高温变形能力优异，以及原材料（钛、镍）资源丰富且成本低廉的优势，成为替代传统WC-Co硬质合金的重要切削刀具材料。然而，Ti(C, N)基金属陶瓷中金属粘结相在高速切削中易引发粘附磨损、扩散及高温软化，导致刀具性能下降，尤其在加工钢或铸铁时问题突出。尽管表面涂层技术（如AlTiN、AlCrN）在硬质合金刀具中已广泛应用，可通过形成热屏障和化学屏障提升性能，但其对Ti(C, N)基金属陶瓷的影响机制尚不明确。本研究旨在通过阴极弧蒸发法在Ti(C, N)基金属陶瓷表面沉积AlTiN和AlTiN/AlCrN涂层，探究涂层对其力学性能（硬度、断裂韧性）、摩擦性能、高温抗氧化性及切削寿命的影响规律，明确表面涂层对Ti(C, N)基金属陶瓷综合性能的强化机制，为开发高性能金属陶瓷刀具提供理论支持，推动其在高速切削领域的应用。

创新点

采用阴极弧蒸发技术在Ti(C, N)基金属陶瓷表面分别沉积AlTiN和AlTiN/CrAlN涂层，系统研究了表面涂层对金属陶瓷力学性能、摩擦性能、抗氧化性能以及切削性能的影响，目前金属陶瓷表面涂层研究较少，有较好的创新性。此外，本研究通过结合AlTiN与AlCrN构建的AlTiN/AlCrN纳米多层涂层，展现出高的硬度和优异高温抗氧化性能，可显著提高金属陶瓷的断裂韧性、耐磨性和切削寿命，为Ti(C, N)基金属陶瓷刀具性能的改进提供了新的解决思路，有望推动金属陶瓷刀具在高速切削领域的应用。

试验方法

1）材料准备

选取Ti(C, N)基金属陶瓷作为基材，采用阴极弧蒸发法分别在其表面沉积了AlTiN涂层和AlTiN/AlCrN多层涂层。

2）涂层制备

采用阴极弧蒸发法进行涂层沉积，AlTiN涂层采用Al₆₇Ti₃₃靶材制备，AlTiN/AlCrN纳米多层涂层采用Al₆₇Ti₃₃与Al₆₀Cr₄₀靶材制备。为保证膜基结合力，先沉积一层AlTiN底层。在实验中，通过调整沉积时间、沉积偏压、气压等参数，控制涂层的厚度和结构。

3）涂层的结构和性能表征

表面形貌和结构分析：采用扫描电子显微镜（SEM）观察涂层的表面和截面形貌；使用能谱仪（EDS）分析涂层中各元素的含量；使用X射线衍射（XRD）分析涂层的物相结构。

结合力测试：采用大载荷划痕仪评估涂层与基体结合强度。

硬度测试：采用纳米压痕仪测量样品的硬度和弹性模量。

摩擦磨损测试：采用往复摩擦磨损试验机在室温下测量涂层摩擦系数，利用超景深显微镜测量磨痕截面面积，依据Archard公式计算涂层磨损率。

抗氧化性测试：采用箱式气氛炉进行氧化实验，并结合SEM和EDS分析样品的氧化层厚度以及元素分布。

切削性能测试：采用干式车削实验对涂层Ti(C, N)基金属陶瓷的切削性能进行评估，利用光学显微镜测量刀具后刀面磨损情况。

实验设计覆盖涂层制备-结构-性能全链条，为揭示涂层强化机制提供数据支撑。

结论展望

（1）

由于纳米多层结构的共格外延生长强化效应，AlTiN/AlCrN纳米多层涂层展现出最高的硬度36.1±1.6 GPa。AlTiN和AlTiN/AlCrN涂层较高的H³/E²值，可有效提高表面的裂纹扩展抗性，因此经过表面沉积AlTiN和AlTiN/AlCrN涂层的Ti(C, N)基金属陶瓷断裂韧性得到明显提升。

图 1 Ti(C, N)基金属陶瓷基体、AlTiN 和 AlTiN / AlCrN 涂层的硬度（H）、弹性模量（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

图 2 未涂层和表面沉积 AlTiN、AlTiN / AlCrN 涂层的 Ti(C, N)基金属陶瓷断裂韧性

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

（2）

AlTiN和AlTiN/AlCrN涂层的高硬度和H³/E²值，可有效改善金属陶瓷的耐磨性。高温氧化过程中，涂层表面生成的致密氧化膜可有效阻碍氧元素的内扩散，提升金属陶瓷的抗氧化性。

图 3 未涂层和表面沉积 AlTiN、AlTiN / AlCrN 涂层的 Ti(C, N)基金属陶瓷的摩擦因数和磨损率

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

图4 800 ℃恒温氧化5 h后Ti(C, N)基金属陶瓷的截面形貌

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

图 5 800 ℃恒温氧化 5 h 后 Ti(C, N)基金属陶瓷的 EDX 线扫描结果

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

（3）

由于表面涂层兼具高硬度、低摩擦系数和优异抗氧化性的特性，因此经过涂层后金属陶瓷刀具的切削寿命得到显著提升。

图 6 未涂层和表面沉积 AlTiN、AlTiN / AlCrN 涂层的 Ti(C, N)基金属陶瓷刀具干式车削 42CrMo 的寿命曲线

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

课题组简介

论文主创

王启民

二级教授、博士研究生导师，曾入选国家高层次人才、国家基金优秀青年科学基金、广东省“珠江学者”特聘教授、德国洪堡学者等。自1998年参加工作以来，一直在物理气相沉积（PVD）涂层领域工作，先后在中国科学院金属所、韩国釜山大学NCRC国家核心研究中心、德国勃兰登堡工业大学工作，2012年入职广东工业大学，建立先进制造表面工程研发团队，突破了复合等离子体的调控和兼容难题，自主研发设计出多功能PVD涂层装备；与行业代表性企业合作，在新型涂层技术和装备设计，涂层材料设计、结构和性能调控、应用关键技术等方面取得创新成果，解决高速切削涂层刀具、精密模具和关键零部件耐磨和功能涂层的关键技术难题，获省部级奖项4项、行业协会奖项4项。在业内获得认可，带领团队解决多项企业发展急需突破的技术难题。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。