先进硬质合金刀具涂层材料及涂层技术研究现状

admin

先进硬质合金刀具涂层材料及涂层技术研究现状
范才河1， 丁柳鑫1， 倪雨朦1,2， 高江雄2， 阳建君1

【作者机构】        1湖南工业大学材料与先进制造学院； 2株洲华锐精密工具股份有限公司
【来    源】        《热加工工艺》 2025年第8期 pp.8-16

随着现代化武器装备和航空航天技术的快速发展，对刀具提出了更高要求，刀具涂层材料及技术装备已成为国内外学者关注的焦点。 对TiN、TiC、CrN 三种常用二元涂层的性能和特点进行了介绍；以Ti 基、Al 基和Cr 基三元及多元涂层为例，综述了不同元素对涂层刀具性能的影响；最后概述了CVD、PVD 以及复合涂层技术的基本原理与研究现状，并提出展望。

关键词：涂层刀具；涂层材料；涂层技术

[size=1em]硬质合金是由难熔金属中分离出的硬质化合物与粘结金属经粉末冶金工艺加工而成的合金材料，它自身硬度高、强度大、耐磨性好、耐腐蚀性强，被称为“工业牙齿”，被用来制造切削工具、刀具等［1-2］。

[size=1em]随着现代切削技术的不断发展， 高速超高速切削、 绿色干切削以及精密超精密切削等技术已逐步成为主流，这要求刀具具有更好的特性［3］。 普通硬质合金刀具加工高比强度或新型材料时， 易导致刀具的过度磨损乃至彻底损坏。为了解决这一问题，出现了硬质合金涂层，涂层能够有效地强化刀具硬度、耐磨性以及抗高温氧化性能等，继而提升其使用寿命、机械加工精度及效率［4-5］。

[size=1em]本文通过总结国内外科研人员在常用涂层材料和涂层技术的研究成果， 分析影响涂层刀具使用性能的各因素， 以期为制备性能优异的涂层刀具提供理论参考。

1 硬质合金刀具涂层材料

[size=1em]涂层技术发展之初，多是TiN、TiC、CrN 等二元涂层。伴随着工业水平的不断提高，切削加工的要求日趋严格［6］，涂层组成不断向多元化的方向发展和演进， 刀具涂层材料也从最初的二元涂层逐步发展到今天的三元和多元涂层。

1.1 二元涂层

[size=1em]目前使用比较多的二元涂层材料多为某些硬度大的金属化合物，如氮化物、碳化物、氧化物等［7］。材料本身除了硬度高、耐磨性好的优良特性外，其高温化学性能也较稳定。涂层材料种类及其特点如表1 所示。

[size=0.8em]表1 常用的二元涂层材料及其特点
Tab.1 Commonly used binary coating materials and their characteristics

[size=1em]TiN 作为目前技术最为成熟、 使用范围最广泛的涂层材料之一，首先被PVD 技术用于刀具表面［8］。TiN 沿（111）面择优取向较强，属典型NaCl 结构［9］，其硬度在2100～2300HV。 因其抗粘结磨损、抗扩散磨损效果好，摩擦系数较低， 使得刀具与工件间的摩擦因数小，因而可以提高刀具的切削性能［10］。 然而，刀具工作温度高达500℃时，TiN 材料会非常迅速地被氧化为TiO2，使涂层受到破坏，造成刀具硬度下降和磨损［11］，制约了刀具在苛刻加工环境下的应用。

[size=1em]TiC 也是较早使用的二元涂层， 它是非常坚硬的高熔点化合物，硬度仅次于金刚石，高达2500～4200HV。 其具有高的抗机械磨损和抗磨料磨损性能，相对于未涂层刀具，有较低的摩擦系数、较小的切削力和较低的切削温度， 抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损效果好［12-13］。应用温度500℃，但其性脆、不耐撞击， 被普遍应用在摩擦剧烈和连续切削的使用条件下［14］。

[size=1em]Al2O3 涂层在高温下表现出优异的热稳定性，其红硬性、耐化学腐蚀性也较好，硬度可达2700 HV［15］。一般Al2O3 硬度比较低，但会在温度超过1600℃时转变成高温稳定的刚玉（α-Al2O3）［16-17］。 在高速切削作业过程中， 与TiC 涂层相比，Al2O3 涂层硬度下降更慢，化学稳定性和高温抗氧化能力更强，表现出较好的抗磨损和抗热塑性变形的性能， 在高温下耐用度更高［18］。Al2O3 涂层一般作为表层用于双层或多层涂层，起热屏障和抗氧化的功能，使刀具的切削速度和加工效率得到增强［19］。

[size=1em]CrN 涂层在耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性等很多方面优于TiN 涂层， 具有较高的硬度， 为1700～2100HV［20］。 且CrN 涂层内应力较小，与基体的粘附力大，容易获得较大的膜厚，涂层表面质量好，摩擦系数低。其耐高温氧化温度可达700℃，适用于腐蚀性或高速、高温循环摩擦状态等工况中［21-22］。

1.2 三元涂层

[size=1em]通过多种元素融合， 可实现细晶强化或固溶强化，从而制备出多元的涂层材料，在提高涂层硬度、韧性和耐磨性等方面都有显著成效， 使用较多的三元涂层有TiCN、TiAlN、AlCrN 等。

[size=1em]TiCN 涂层结合了TiN 和TiC 的长处［23］。它比TiN有较高的硬度，出色的耐磨性和抗腐蚀性，同时有优于TiC 的韧性［24-25］。米鹏博［26］采用反应等离子喷涂的方法制备纳米晶TiCN 涂层，研究表明：涂层的硬度值较高，为1674 HV0.1，其硬度和磨损性均明显高于TiN 涂层。 这是由于TiCN 中C 原子取代N 原子，形成高键Ti-C 键的同时又造成了TiCN 的晶格畸变。 在加工时，C 还可由TiCN 沉淀出来，达到固体润滑的效果。

[size=1em]TiAlN 涂层是目前使用最广泛的涂层［27］。 相对于TiN，由于添加Al，涂层在纳米硬度、结合力、化学稳定性和高温抗氧化性方面得以显著改善［28-29］。温度较高时，Al 离子扩散至表面，容易形成致密Al2O3保护膜， 使得膜层抗氧化温度从TiN 的600℃升至TiAlN 的约900℃，涂层硬度升至接近4000HV。 而Ti1-xAlxN 涂层的结构与性能则主要由Al 含量决定［30］。涂层呈单相NaCl 型面心立方结构（fcc）时，随着Al含量的增加其硬度及抗氧化性均得到不同程度的改善。杜日昇等［31］制备了Al 含量不同的Ti-Al-N 系硬质涂层。 研究发现：随TiAlN 涂层Al 含量升高，其显微硬度可以达到3100HV0.01， 氧化温度可提升至900℃左右。 赵晟琪［32］釆用电弧离子镀工艺制备的YT15-TiAlN 涂层刀具切削性能得到了显著提高。 TiAlN涂层产生的Al2O3 膜使得切削力显著降低，抗磨损、抗氧化能力显著增强，切削速度、效率显著提高。 但Al含量大于TiN 固溶度（x=0.65～0.70）后，涂层最后转变为单相六方结构， 会导致力学性能明显下降［33-34］。Yoon 等［35］使用阴极电弧离子镀系统制备了Ti1-xAlxN涂层。 结果表明：随着Al 含量的提高，Ti1-xAlxN涂层的结合强度降低。 因此，控制Al 含量对于TiAlN 涂层的制备具有重要意义［36］。

[size=1em]AlCrN 涂层是用Cr 代替Ti 形成的一种新型涂层。与传统的钛基涂层相比，AlCrN 涂层具有更高的硬度和抗氧化性，可以显着降低刀具磨损和摩擦［37］。此外，即使在极高热负荷的加工条件下，AlCrN 涂层也能保持出色的整体性能［38］。 Mo 等［39］研究了AlCrN和TiAlN 涂层的摩擦性能。 发现在相同测试条件下，AlCrN 涂层的摩擦系数和磨损率均低于TiAlN涂层，并具有更好的抗氧化和抗剥落性能。 Ahmad等［40］研究了AlCrN 和AlTiN 涂层硬质合金刀片在MDN250 马氏体时效钢的端铣过程中的加工性能。发现AlCrN 涂层与AlTiN 涂层相比具有更好的耐磨性和更低的导热性， 在高速切削过程中刀具寿命可提高29%。

1.3 多元涂层

[size=1em]为了进一步改善涂层组织结构、提高结合强度，TiAlSiN、TiAlCN、CrAlSiN 等以三元涂层为基础加入C、Si 元素制成的多元涂层相继问世。

[size=1em]TiAlSiN 作为一种新型多组分复合氮化物涂层，硬度和耐磨性极佳。 He 等［41］用混合PVD 技术制备了不同Al 和Si 含量的TiAlSiN 涂层， 以及对室温、600℃和800℃3 种条件下的摩擦性能进行了探究。 结果发现，SiO2·nH2O 摩擦层对降低常温下TiAlSiN 涂层的磨损率和摩擦系数是有益的。600℃时产生的Al2O3、SiO2 都能降低TiAlSiN 涂层的磨损率。此外，800℃时产生的TiO2 相可在滑动时起到润滑剂的作用。

[size=1em]TiAlCN 涂层通过添加Al、C 元素来增强其抗高温氧化性和耐磨性［42-43］。 高温下Al 原子与氧原子结合生成致密Al2O3 增强涂层耐磨性能， 同时也阻碍了氧原子向涂层内扩散， 增强了抗高温氧化的能力。 Zeng 等［44］通过射频磁控溅射开发的超硬TiAl-CN 涂层，涂层中硬质相为AlN 与TiN，部分Al 原子会取代面心立方结构TiN 中部分Ti 原子，生成高硬度的AlTiN 硬质相，TiAlCN 涂层表现出超过40GPa 的硬度。 段佳妮等［45］发现，添加碳元素使TiAlCN 涂层的塑性韧性、摩擦磨损性能得到提高。其主要原因是TiAlCN 涂层具有超强的抗变形功效，无定形碳能起到润滑效果。 碳元素占比也对涂层结构和性能有着重要影响。 张泽辉［46］对不同C 含量TiAlCN 进行表面研究。 研究发现：不含C 的薄膜硬度小，附着力大， 而添加C 的薄膜硬度及弹性模量都大大增加。摩擦系数随C 含量的增加而始终减小，表现出更好的耐磨性能。

[size=1em]CrAlSiN 涂层以其超高硬度、 以及摩擦系数小、 抗高温氧化性能优良等特点受到了越来越多研究人员的关注［47-48］。陈建国等［49］在硬质合金表面进行CrAlSiN 涂层的制备。 研究发现：涂层纳米硬度达到31.445GPa，比涂层之前提高了1.41 倍，结合力达到18.49N， 涂层之后摩擦系数相对减小了约50%，可有效减小加工阻力，继而提高刀具的剪切质量。唐啟峰等［50］研究表明，刀具表面涂CrAlSiN 能有效地改善其抗磨粒和抗粘着磨损的性能， 其切削寿命是未涂CrAlSiN 的2.5 倍。 Si 元素对CrAlSiN 涂层改善力学性能及摩擦性能具有重要意义。 Drnovšek 等［51］以CrAlN 和CrAlSiN 硬质涂层为研究对象，研究了高温力学性能及摩擦学性能。 发现CrAlSiN 涂层的部分Si、Al 溶于面心立方晶格形成固溶强化， 另一部分Si 和N 形成非晶态的Si3N4。 这种非晶相可以阻碍CrN 晶粒长大，细化晶粒，同时阻碍晶界滑移和晶面间裂纹的扩散，可进一步提高涂层的力学性能。

2 硬质合金刀具涂层技术

[size=1em]涂层材料是否能发挥其应有特性， 除了涂层和基体结合强度、 涂层和界面组织结构以及各单层厚度和总厚度这些因素之外， 很大程度上依赖于涂层技术水平的高低。涂层技术提高了刀具的加工效率，使其获得了优良的机械特性［52］。因此，时刻关注国际涂层技术的先进水平， 全面把握技术发展趋势尤为重要。目前，普遍采用的刀具涂层方法主要有CVD、PVD 以及复合涂层技术三大类。

2.1 化学气相沉积法(CVD)

[size=1em]CVD 是指在900～1200 ℃的高温条件下利用金属卤化物的蒸气、 氢气等化学成分在被加热基体表面形成固体沉积物， 从而使材料表面呈现出所需的耐磨、耐高温等特性的工艺过程［53］。设备原理如图1 所示。

[size=0.8em]图1 CVD 工艺设备原理
Fig.1 Principle of CVD process equipment

[size=1em]20 世纪60 年代德国和瑞典的公司研发了CVD技术， 并于1969 年将CVDTiC 涂层硬质合金刀具系列产品投放市场［54］。 此后，美国、日本和其他国家也相继推出CVD 涂层硬质合金刀具。 CVD 涂层技术在过去50 年中不断发展，通过改进基材和涂层工艺以及使用不断优化的涂层材料， 涂层刀具产品不断更新。CVD 法的优点包括优异的涂层附着力和均匀的涂层分布。 然而CVD 法具有工艺要求高且容易脱落涂层的缺点， 这是因为CVD 法必须在高温（900～1200 ℃）下进行，但高温环境容易改变基体形状，然后导致涂层脱落［55］。

[size=1em]2.1.1 热丝化学气相沉积法（HFCVD）

[size=1em]HFCVD 法的设备相对简单， 工艺条件易于把控，制备成本较低，而且可以在各种复杂形状刀具上沉积薄膜， 目前用HFCVD 法沉积金刚石已经在国外获得了大规模商业化应用［56-57］。其基本原理是在真空反应室上端放置一根钨、铌、钽等高熔点金属材料制成的灯丝，加热到2000 ℃以上，在热丝下方放置基片来沉积金刚石， 向真空室中冲入氢气和甲烷等气体， 使反应气体经灯丝高温分解为原子氢和各种烃基。 原子氢催化过程中烃基在基体表面不断吸附解离形成C-C 键，然后逐渐形成金刚石晶核，再由活性甲基的碳原子取代基体上的氢原子， 实现同质外延生长，逐渐形成金刚石涂层［58］。金刚石沉积系统原理如图2 所示。

［59］
     Fig.2 Schematic diagram of HFCVD diamond deposition system［59］" style="margin-bottom: 10px; border: none; max-width: 80%; height: auto; vertical-align: middle; cursor: pointer; display: inline-block;">

[size=0.8em]图2 HFCVD 金刚石沉积系统原理图［59］
Fig.2 Schematic diagram of HFCVD diamond deposition system［59］

[size=1em]HFCVD 法沉积金刚石的最大问题是沉积的速率低、生长速率慢，热丝经过碳化后质量会变大，造成金刚石薄膜厚度不均而影响混合气源裂解。 另外热丝也会对薄膜有污染， 不易制备高质量的金刚石薄膜［60］。

[size=1em]2.1.2 高温化学气相沉积法（HTCVD）

[size=1em]HTCVD 普遍应用于碳化硅（SiC）涂层的制备，SiC 膜层沉积生长过程是在密闭反应器中的衬底材料表面上进行的。 在2000～2300℃条件下，反应气体SiH4 和C3H8 在高温下分解， 并在衬底材料表面上发生化学反应，形成一层固态SiC 晶体膜。 随后，固体生成物在衬底材料表面解吸和扩散， 而气态生成物H2 则从衬底材料表面脱离。随着反应气体地不断通入，SiC 膜层不断生长。

[size=1em]瑞典的Okmetic 公司在20 世纪90 年代就开始了HTCVD 技术的研究［59］，其制备的SiC 单晶具有纯度高、尺寸大等优点，还能有效地减少SiC 单晶体中的各种缺陷。 但HTCVD 的反应温度非常高，导致一些基材无法承受，甚至与膜层产生作用，从而形成杂质，这制约了HTCVD 在一些特殊领域的使用。

[size=1em]2.1.3 中温化学气相沉积法（MTCVD）

[size=1em]MTCVD 是以含C/N 原子团的有机化合物为主要反应气体与TiCl4、H2、N2 在700～900℃温度下进行分解、 化合反应， 制备TiCN 的一种新技术。MTCVD 沉积TiCN 比用HTCVD 沉积TiCN 涂层更致密、更厚（8～10μm），且为柱状结晶；涂层耐磨性、韧性和抗高温氧化性都更好［61］。 工艺原理如图3所示。

[size=0.8em]图3 MTCVD-TiCN 涂层工艺
Fig.3 Process of MTCVD-TiCN coating

[size=1em]20 世纪90 年代中期， 世界上主要硬质合金工具制造商利用MTCVD 和HTCVD 技术的结合，研究开发了一种新型的超硬合金涂层材料。 超级涂层的厚度可达10～15μm， 涂层组织致密且为柱状结晶，涂层的耐磨性、韧性和抗高温氧化性都优于已往的涂层材料， 极大提高了切削刀具的使用寿命。 目前， 我国所研究的MTCVD 技术和超级涂层材料，通过大量严格的检测和分析， 各项指标均达到国外先进水平。

[size=1em]2.1.4 等离子体化学气相沉积法（PCVD）

[size=1em]PCVD 是等离子体辅助的化学气相沉积， 其基本原理为： 源气体经高频或直流电场电离后生成等离子体，将基体浸入等离子体内或置于其下方，基体上吸附的反应粒子受到高能电子的打击而结合键断开产生活性粒子，其发生化学反应得到固体薄膜［62］。

[size=1em]PCVD 法可在低于600℃下进行， 硬质合金基材和涂层材料在较低温度下不会发生扩散、 相变或交换反应，确保基体保持原来的强韧性。PCVD 法沉膜速度快，所得薄膜均匀且致密，与普通CVD 法相比较，其硬度更高、耐磨性更好、耐腐蚀性更强。随频率升高，等离子体促进化学反应进行，反应温度也随之下降。现有PCVD 法的最低膜温已达到160℃，且不影响焊接部位［63］。 日本三菱公司曾使用PCVD 涂层焊接硬质合金钻头， 制成的钻头效率是高速钢钻头的5 倍，寿命延长10 倍多［64］。

2.2 物理气相沉积法(PVD)

[size=1em]PVD 作为一种表面处理技术，是指将靶材通过蒸汽蒸发、 辉光放电和等离子体等方式激发为不同状态的粒子， 使其沉积和聚集于固态基体的表面形成固体薄膜。相对于CVD 法，PVD 法具有加工温度低、刀具材料抗弯强度好等特点，更加适合硬质合金精密复杂的涂层，且其绿色环保，与如今的绿色发展基调一致［65-66］。

[size=1em]20 世纪70 年代初， 美国的科研人员开发出PVD技术， 随后在1981 年将PVDTiN 涂层硬质合金刀具系列产品投放市场［67］。 50 年来，PVD 涂层技术迅速发展，已成为一种很有远景的新工艺。 PVD 硬质合金刀具具有高的硬度、更强耐磨性、更大抗热性以及自润滑的特性［68］。 根据粒子发射所采用方式的不同，PVD 法主要包括真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜等， 镀膜的前提条件就是要求沉积的反应室要有一定的真空度， 得到和维持真空环境是镀膜过程中不可或缺的条件［69］。

[size=1em]2.2.1 真空蒸发镀膜技术

[size=1em]真空蒸镀是指在真空室中对蒸发室内的原材料进行升温， 并使之原子或分子气化逸散于表面而产生蒸气流进入固体表面冷凝成固态薄膜的工艺。 固态膜料的蒸发温度为1000～2000℃［70］。 图4 为真空蒸镀过程示意图。

[size=0.8em]图4 真空蒸镀过程示意图
Fig.4 Schematic diagram of vacuum evaporation process

[size=1em]真空蒸镀技术发展至今已经相当完善， 其制备的薄膜具备与基体结合强度好、薄膜牢固，在真空条件下制备可获得致密性好、 纯度高和涂层均匀的薄膜，不产生废液、对环境无污染等优点［71-72］。

[size=1em]2.2.2 溅射镀膜技术

[size=1em]溅射镀膜技术一般采用气体放电使气体电离的方法， 它的正离子以很快的速度轰击阴极靶体上的原子或分子，使之在基板表面沉积得到薄膜［73］。基本原理如图5 所示。

［74］
     Fig.5 Basic principle of sputter coating［74］" style="margin-bottom: 10px; border: none; max-width: 80%; height: auto; vertical-align: middle; cursor: pointer; display: inline-block;">

[size=0.8em]图5 溅射镀膜的基本原理［74］
Fig.5 Basic principle of sputter coating［74］

[size=1em]现已发展出高速率的溅射技术， 如磁控溅射技术。 对比其他溅射技术，磁控溅射的镀膜速率快，能够达到2000nm/min；与蒸发镀膜技术相比，具有结合力强、镀膜层更致密、均匀等优点［74-75］。磁控溅射镀膜工艺在20 世纪70 年代投入使用， 我国的镀膜工艺于20 世纪80 年代就取得了长足进步，到20 世纪90 年代已经能实现产品的规模化生产和大型设备的制备。

[size=1em]2.2.3 离子镀膜技术

[size=1em]离子镀膜技术是当今真空镀膜技术在表面处理方面最新、最前沿的一种工艺［76］。 它是在真空条件下利用气体放电发生离化， 再通过轰击作用将气态离子脱附到基体表面沉积而得到所需物质的工艺过程［77］。该工艺所得薄膜不仅粘附牢固，而且沉积过程快，沉膜表面干净，且可使用范围非常广［78］，所以该工艺得到快速发展。

[size=1em]自20 世纪70 年代末以来， 国内外相继开展了对离子镀膜技术的研究工作，并取得进展。按照被镀材料的气化、离化方式的差别，构成的离子镀膜种类也有所区分［79］。 气化主要是各样的加热方式，如电阻、电子束加热等；离化则以多种放电方式和各样的离子源为主。 各种蒸发源与各种电离或激发方式之间可有许多不同的组合。

[size=1em]尽管离子镀膜装备比电镀装备价格更高， 但是其绿色发展所取得的贡献早已超过了电镀工艺，另外在镀层的质量性能等各方面也更为出色， 现已成为当今最先进的表面处理方式之一。

[size=1em]2.2.4 离子辅助沉积技术（IBAD）

[size=1em]IBAD 是一种新兴的PVD 涂层技术［80］。 IBAD是指用特定能量的离子束连续轰击一直沉积的材料，彼时涂层在冷相沉积，而后让沉积原子和基体原子连续掺杂，界面的原子相互混合成一体，从而极大的提高涂层与基板的粘附力［81］。IBAD 聚集了气相沉积和离子注入的长处， 其沉积温度能下降至300℃左右，在此条件下能制得C、N、B 化合物，立方氮化硼以及金刚石等超硬涂层， 对由于粘合强度不足而难以涂覆的材料也适用［82］。

[size=1em]通过应用CVD、PVD 技术，可以使刀具具备强度更高、耐磨性更好、散热性更佳等更好的性能。 在未来需加强对CVD、PVD 刀具涂层技术的研究，使其更好地服务于机械加工。

2.3 复合涂层技术

[size=1em]2.3.1 自蔓延高温合成涂层技术（SHS）

[size=1em]SHS 是一种利用原料组分发生放热化学反应的高效技术， 它能在不补充能量的情况下使反应能够持续进行。 在制备高性能涂层，如难熔材料合成、非平衡和非化学计量化材料的合成等方面，SHS 具备工艺简单、反应迅速、能源节约等优点，远优于传统制备方法。 SHS 的反应温度通常较高，这使得大部分杂质得以挥发，从而得到高度纯净的产品，尤其适用于合成各种复合材料、结构陶瓷和功能梯度材料。

[size=1em]20 世纪60 年代，Merzhanov 等［83］通过对凝聚体系气化燃烧机理的研究，发明了SHS 技术。 由于其具有独特的优点， 该技术很快就被应用于材料制备领域， 并取得良好的效果。 当前， 国内外学者运用SHS 技术的特性，结合传统工艺（如铸造、气相传输、烧结、喷涂），研发出多种SHS 表面涂层技术，其中包括SHS 铸造涂层技术、SHS 气相传输涂层技术、SHS 烧结涂层技术以及SHS 反应喷涂涂层技术。

[size=1em]2.3.2 激光熔覆技术

[size=1em]激光熔覆技术是一种利用高能密度的激光束，使添加在基材表面的熔覆材料（如Co、Fe、Ni 基等）与基材表面薄层一起熔凝并快速凝固， 形成稀释度极低、与基体成冶金结合的表面涂层，从而实现对基材表面的强化，增强其抗磨损、抗冲击、抗腐蚀性能的先进工艺方法［84］。

[size=1em]利用激光熔覆技术， 可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面， 而不会对基体的性质造成任何影响。 相较于传统技术， 激光熔覆的稀释度更低、组织更致密、涂层与基体的结合更好。 适用于激光熔覆的材料不仅多，并且具有很好的可控性，能够实现三维自动加工， 从而获得更高的加工质量，因此，激光熔覆技术具有广泛的应用前景。 但是，在激光熔覆过程中，由于熔覆层和基材的温度梯度、热膨胀系数的差异，会导致熔覆层中产生气孔、裂纹、变形等多种缺陷， 这仍是国内外学者亟待解决的一大难题。

3 结语与展望

[size=1em]在这个机械制造业蓬勃发展的时代， 越来越多的难加工材料以及先进的技术得到广泛应用， 高性能刀具的需求愈加迫切。 为适应愈发严格的制造要求，刀具涂层材料以及涂层技术都有了很大发展，具体表现如下：

[size=1em]（1） 涂层材料正从二元体系向三元和多组分体系过渡，三元和多组分体系通过固溶强化、掺杂元素的晶粒细化增强作用，以及多种元素的协同作用，极大增强了涂层的整体性能。 在现有涂层中添加其他元素（如Cr、Si、Ti 等）以提高涂层的力学性能，如添加了Al 元素的TiAlSiN、TiAlCN、CrAlSiN 多元涂层，相较于二元涂层，其耐磨性和抗高温氧化性到显著提高。后续仍需加强对涂层成分多元化、结构多层化的研发工作。

[size=1em]（2） 涂层技术可以通过升级晶格结构、 掺杂元素等方法，使涂层同时具备强度和韧性的优点，从而满足各种加工工况， 使刀具的切削性能和寿命都得到增强。 如采用PCVD 技术、离子镀膜技术以及复合涂层技术， 不仅能高效便捷地制备出复杂的高质量涂层，还能实现生产加工的绿色化。

[size=1em]（3） 我国涂层技术起步较晚， 国外技术的垄断和封锁造成国内核心技术、 涂层性能指标和生产成本等方面都较为滞后， 极大地限制了国内相关领域的发展。 而如何在如此严苛的环境中实现高性能涂层的关键制备技术， 仍然是我国研究者需要攻克的难题。

[size=1em]参考文献:

[size=1em]［1］谢晨辉，谭立群，彭宇，等.硬质合金的非常规检测技术［J］. 硬质合金，2018，35(6)：390-402.

[size=1em]［2］张文毓.硬质合金涂层刀具研究进展［J］.稀有金属与硬质合金，2008，36(1)：59-63.

[size=1em]［3］Sortino M， Belfio S， Totis G， et al.Innovative tool coatings for increasingtool life in milling nickel-coated nickel-silver alloy［J］.Procedia Engineering，2015，100：946-952.

[size=1em]［4］Bobzin K.High-performance coatings for cutting tools ［J］. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology，2017，18：1-9.

[size=1em]［5］Henderer W， Xu F.Hybrid TiSiN， Cr C/C PVD coatings applied to cutting tools ［J］.Surface and Coatings Technology，2013，215：381-385.

[size=1em]［6］Xin T， Pei H， Shucai Y.Coating and micro-texture techniques for cutting tools［J］.Journal of Materials Science，2022，57(36)：17052-17104.

[size=1em]［7］沈中.刀具涂层及其性能评价［D］.上海：上海交通大学，2007.

[size=1em]［8］Zhang S， Zhu W.TiN coating of tool steels：a review［J］. Journal of Materials Processing Technology，1993，39(1/2)：165-177.

[size=1em]［9］黄珂.TiN 涂层和TiAlN 涂层结合强度及抗氧化性能的研究［D］.长沙：中南大学，2014.

[size=1em]［10］Abhijeet S M， Jiang W P， Brown W D， et al.Tool wear and machining performance of cBN-TiN coated carbide inserts and PCBN compact inserts in turning AISI 4340 hardened steel［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，180 (1/3)：253-262.

[size=1em]［11］刘灿宇，刘战强.TiN 刀具涂层抗多次冲击性能研究［J］.现代制造工程，2018(7)：105-111.

[size=1em]［12］Cai Y， Zhu L， Cui Y， et al.Fracture and wear mechanisms of FeMnCrNiCo+x (TiC) composite high-entropy alloy cladding layers［J］.Applied Surface Science，2020，543：148794.

[size=1em]［13］李欣妍.TiC 涂层微磨具磨削机理及抗磨损性能研究［D］.沈阳：东北大学，2020.

[size=1em]［14］Sokovic M， LA D， Kopa J， et al.Cutting properties of PVD and CVD coated Al2O3+TiC tool ceramic ［J］.Materials Ence Forum，2007，539/543：1159-1164.

[size=1em]［15］Gassner M， Schalk N， Tkadletz M， et al.Thermal crack network on CVD TiCN/α-Al2O3 coated cemented carbide cutting tools ［J］.International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2019，81：1-6.

[size=1em]［16］张静，李昆，陈响明.硬质合金刀片α-Al2O3 涂层研究［J］.硬质合金，2007(1)：9-12.

[size=1em]［17］Ruppi S，Larsson A，Flink A.Nanoindentation hardness，texture and microstructure of α-Al2O3 and κ-Al2O3 coatings ［J］. Thin Solid Films，2008，516(18)：5959-5966.

[size=1em]［18］Kato H， Takase N， Watanabe K， et al.Cutting performance of coated cemented carbide tool in driven rotary cutting of hardened steel［J］.International Journal of Automation Technology，2019，13(1)：49-57.

[size=1em]［19］龙重旺，陈领，郭智兴，等.TiAlN 涂层与Al2O3 复合涂层刀具高温合金切削性能研究［J］. 组合机床与自动化加工技术，2020(9)：154-157.

[size=1em]［20］李阳.甘油润滑下CrN 涂层的摩擦学性能研究［D］.青岛：青岛理工大学，2021.

[size=1em]［21］Bobzin K， Bagcivan N， Immich P， et al.Advancement of a nanolaminated TiHfN/CrN PVD tool coating by a nano-structured CrN top layer in interaction with a biodegradable lubricant for green metal forming ［J］.Surface & Coatings Technology，2009，203(20/21)：3184-3188.

[size=1em]［22］Polcar T， Parreira N， Novak R.Friction and wear behaviour of CrN coating at temperatures up to 500 ℃［J］.Surface &Coatings Technology，2007，201(9)：5228-5235.

[size=1em]［23］Polcar T， Novák R， Široky P.The tribological characteristics of TiCN coating at elevated temperatures［J］.Wear，2006，260(1/2)：40-49.

[size=1em]［24］Lukaszkowicz K， Paradecka A， Kwas■ny W， et al.Charasteristics of TiCN coating deposited by cathodic arc evaporation［J］.Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering，2017，84(1)：23-31.

[size=1em]［25］张显银.TiCN、TiAlN 和TiAlCrN 涂层刀具的干切削性能及磨损机理研究［D］.重庆：西南大学，2018.

[size=1em]［26］米鹏博. 反应等离子合成纳米晶TiCN 涂层的研究［D］.天津：河北工业大学，2015.

[size=1em]［27］Leyendecker T， Lemmer O， Esser S， et al.The development of the PVD coating TiAlN as a commercial coating for cutting tools［J］.Surface & Coatings Technology，1991，48(2)：175-178.

[size=1em]［28］周陶.TiAlN 涂层硬质合金刀具的制备及其切削加工性能研究［D］.南京：南京理工大学，2016.

[size=1em]［29］朱丽慧，胡涛，彭笑，等.Al 含量对TiAlN 涂层结合强度的影响［J］.材料热处理学报，2015，36(3)：154-158.

[size=1em]［30］Wüstefeld C， Rafaja D， Klemm V， et al.Effect of the aluminium content and the bias voltage on the microstructure formation in Ti1-xAlxN protective coatings grown by cathodic arc evaporation ［J］.Surface & Coatings Technology，2010，205(5)：1345-1349.

[size=1em]［31］杜日昇.高Al 含量Ti-Al-N 系硬质涂层的制备及其抗氧化性能的研究［D］.广州：华南理工大学，2011.

[size=1em]［32］赵晟琪，刘雅荣.TiAlN 涂层刀具切削性能及磨损机理研究［J］.机械设计与制造，2019(3)：91-93.

[size=1em]［33］Jose F， Ramaseshan R， Dash S， et al.Significance of Al on the morphological and optical properties of Ti1-xAlxN thin films［J］.Materials Chemistry and Physics，2011，130(3)：1033-1037.

[size=1em]［34］Kimura A，Hasegawa H，Yamada K，et al.Effec-ts of Al content on hardness， lattice parameter and mic-rostructure of Ti1-xAlxN films ［J］.Surface and Coatings Technology，1999，120/121：438-441.

[size=1em]［35］Yoon J S， Lee H Y， Han J G， et al.The effect of Al composition on the microstructure and mechanical properties of WCTiAlN superhard composite coating ［J］.Surface and Coatings Technology，2001，142：596-602.

[size=1em]［36］赵金富.TiAlN 刀具涂层对刀屑热量分配及切削温度影响规律的研究［D］.济南：山东大学，2021.

[size=1em]［37］曾鹏，彭神华，胡社军，等.AlCrN 涂层刀具研究新进展［J］. 工具技术，2008(3)：16-19.

[size=1em]［38］Chang Y Y， Weng S Y， Chen C H， et al.High temperature oxidation and cutting performance of AlCrN， TiVN and multilayered AlCrN/TiVN hard coatings ［J］.Surface and Coatings Technology，2017，332：494-503.

[size=1em]［39］Mo J L， Zhu M H， Lei B， et al.Comparison of tribological behaviours of AlCrN and TiAlN coatings-deposited by physical vapor deposition［J］.Wear，2007，263(7/12)：1423-1429.

[size=1em]［40］Ahmad S， Mujumdar S， Varghese V.Role of porosity in machinability of additively manufactured Ti-6Al-4V［J］.Precision Engineering，2022，76：397-406.

[size=1em]［41］He N， Li H， Ji L， et al.High temperature tribological properties of TiAlSiN coatings produced by hybrid PVD technology［J］.Tribology International，2016，98：133-143.

[size=1em]［42］宫名.靶材中Al 含量对TiAlCN 涂层结构和耐磨性能的影响［J］.佳木斯大学学报(自然科学版)，2022，40(3)：103-106.

[size=1em]［43］Zhang X， Jiang J， Zeng Y， et al.Effect of carbon on TiAlCN coatings deposited by reactive magnetron sputtering［J］.Surface and Coatings Technology，2008，203(5/7)：594-597.

[size=1em]［44］Zeng Y， Qiu Y， Mao X， et al.Superhard TiAlCN coatings prepared by radio frequency magnetron sputtering［J］.Thin Solid Films，2015，584：283-288.

[size=1em]［45］段佳妮，李文正，赵春蕾，等.多弧离子镀制备TiAlCN 和TiAlN涂层的结构和摩擦磨损性能［J］.表面技术，2022，51(4)：139-148.

[size=1em]［46］张泽辉.钢领电弧离子镀TiAlCN 薄膜的工艺研究［D］.咸阳：陕西科技大学，2014.

[size=1em]［47］Fan Q， Liang Y， Wu Z， et al.Microstructure and properties of CrAlSiN coatings deposited by HIPIMS and direct-current magnetron sputtering［J］.Coatings，2019，9(8)：512.

[size=1em]［48］Sun S Q， Ye Y W， Wang Y X， et al.Structure and tribological performances of CrAlSiN coatings with different Si percentages in seawater［J］.Tribology International，2017，115：591-599.

[size=1em]［49］陈建国，邝志辉，周志恒.CrAlSiN 涂层的制备及其性能研究［J］.机电工程技术，2019，48(9)：62-64.

[size=1em]［50］唐啟峰，王欣，梁杨梦甜，等.CrAlSiN 涂层刀具切削钛合金的失效机理研究［J］.天津职业技术师范大学学报，2021，31(1)：9-12.

[size=1em]［51］Drnovšek A， Figueiredo M R， Vo H， et al.Correlating high temperature mechanical and tribological properties of CrAlN and CrAlSiN hard coatings［J］.Surface and Coatings Technology，2019，372：361-368.

[size=1em]［52］郭杰，徐看，刘利国，等.刀具涂层技术现状与发展趋势［J］. 工具技术，2014，48(3)：3-7.

[size=1em]［53］刘强.涂层硬质合金刀具切削性能研究［D］.大连：大连理工大学，2008.

[size=1em]［54］Konyashin I Y.PVD/CVD technology for coating cemented carbides ［J］.Surface and Coatings Technology，1995，71(3)：277-283.

[size=1em]［55］Zhang J， Zhang Y， Fu Y， et al.Growth mechanism and ablation behavior of CVD-HfC coating on the surface of C/C composites and CVD-SiC coating ［J］.Corrosion Science，2021，192：109819.

[size=1em]［56］向耿辉，邸永江，杨声平，等.HFCVD 法制备金刚石薄膜影响因素的研究进展［J］.广州化工，2016，44(3)：20-22.

[size=1em]［57］Sarangi S K， Chattopadhyay A， Chattopadhyay A K.Effect of pretreatment methods and chamber pressure on morphology，quality and adhesion of HFCVD diamond coating on cemented carbide inserts ［J］.Applied Surface Science，2008，254(13)：3721-3733.

[size=1em]［58］万书宏，林晶，冯帅.热丝CVD 法制备金刚石涂层刀具的研究现状［J］.真空，2022，59(1)：40-47.

[size=1em]［59］韩栋梁. 高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体(HTCVD)［J］.科技情报开发与经济，2009，19(4)：170-172.

[size=1em]［60］Metev S， Brecht H， Schwarz J， et al.New technology for high rate synthesis of PC-diamond coatings in air with photon plasmatron ［J］.Diamond & Related Materials，2002，11(3/6)：472-477.

[size=1em]［61］Zheng G， Cheng X， Yang X， et al.Self-organization wear characteristics of MTCVD-TiCN-Al2O3 coated tool against 300 M steel［J］.Ceramics International，2017，43(16)：13214-13223.

[size=1em]［62］周磊.PCVD 法制备Fe-6.5wt%Si 高硅钢工艺及性能研究［D］.武汉：武汉科技大学，2013.

[size=1em]［63］谢宏，肖逸锋，贺跃辉，等.硬质合金涂层刀具研究的新进展［J］.中国钨业，2006(2)：33-36.

[size=1em]［64］陈颢，羊建高，王宝健，等.硬质合金刀具涂层技术现状及展望［J］.硬质合金，2009，26(1)54-59.

[size=1em]［65］Lugscheider E， Hayn G V.Atomistic simulation of surface evolution during PVD coating processes［J］.Surface & Coatings Technology，2001，142：923-927.

[size=1em]［66］刘彦茗，杜劲，王立国.PVD 涂层刀具及其寿命研究进展［J］.工具技术，2018，52(1)：3-7.

[size=1em]［67］Leyendecker T， Lemmer O， Esser S， et al.The development of the PVD coating TiAlN as a commercial coating for cutting tools［J］.Surface & Coatings Technology，1991，48(2)：175-178.

[size=1em]［68］Boing D， Oliveira A J.Evaluation of wear mechanisms of PVD and CVD coatings deposited on cemented carbide substrates applied to hard turning ［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2020，106：5441-5451.

[size=1em]［69］王银川.真空镀膜技术的现状及发展［J］.现代仪器，2000(6)：1-4.

[size=1em]［70］王福贞，刘欢，那日松.离子镀膜技术的进展［J］.真空，2014，51(5)：1-8.

[size=1em]［71］Periasamy C， Chakrabarti P.Structural and electrical properties of metal contacts on n-type ZnO thin film deposited by vacuum coating technique ［J］.Journal of Vacuum Science &Technology B，2009，27(5)：2124-2127.

[size=1em]［72］Shi D R， Jing F， Zulipiya S， et al.All-solid-state rechargeable lithium metal battery with a prussian blue cathode prepared by a nonvacuum coating technology ［J］.Acs Omega，2018，3(7)：7648-7654.

[size=1em]［73］莫继良.物理气相沉积(PVD)涂层的摩擦学行为研究［D］.成都：西南交通大学，2008.

[size=1em]［74］Ensinger W.Ion beam sputter coating of three-dimensional objects：rings，cylinders，and tubes ［J］.Surface & Coatings Technology，2004，177：264-270.

[size=1em]［75］Goto M， Sasaki M， Xu Y， et al.Control of p-type and n-type thermo electric properties of bismuth telluride thin films by combinatorial sputter coating technology ［J］.Applied Surface Science，2017，407：405-411.

[size=1em]［76］Zhang M， Zhou F， Fang H， et al.Structure and tribological properties of CrTiAlCN coatings with various carbon contents［J］.Journal of Materials Engineering and Performance，2019，28：1509-1521.

[size=1em]［77］游本章.离子镀膜技术的发展和应用［J］.电工电能新技术，1989(4)：14-21.

[size=1em]［78］Yao X， Ling X， Jin Q， et al.Technology and properties of CrN films deposited by multi-arc ion plating［J］.Medicine，2007.DOI：10.1109/INOW.2007.4303000.

[size=1em]［79］Xian L，Zhao H，Xian G，et al.Oxidation resistance and thermal insulation performance of thin nano-multilayered (Al，Cr) 2O3/ZrO2 coating prepared by arc ion plating technique［J］.Materials Letters，2020，281：128649.

[size=1em]［80］Choi J M， Kim H E， Lee I S.Ion-beam-assisted deposition(IBAD) of hydroxyapatite coating layer on Ti-based metal substrate［J］.Biomaterials，2000，21(5)：469-473.

[size=1em]［81］Akbari A， Riviere J P， Templier C， et al.Structural and mechanical properties of IBAD deposited nanocomposite Ti-Ni-N coatings［J］.Surface & Coatings Technology，2006，200(22/23)：6298-6302.

[size=1em]［82］傅小明，吴晓东.硬质合金刀具涂层技术的研究进展［J］.江西冶金，2004，24(2)：32-36.

[size=1em]［83］Merzhanov A G.History and recent developments in SHS［J］.Ceramics International，1995，21(5)：371-379.

[size=1em]［84］周梁栋，张亮，吴文恒.钴基合金激光熔覆技术研究与应用现状［J］.粉末冶金工业，2023，33(2)：88-95.

[size=1.8em]Research Status of Advanced Carbide Tool Coating Materials and Coating Technology

[size=1em]FAN Caihe1, DING Liuxin1, NI Yumeng1,2, GAO Jiangxiong2, YANG Jianjun1

[size=1em](1.College of Materials and Advanced Manufacturing,Hunan University of Technology,Zhuzhou 412007,China;2.Zhuzhou Huarui Precision Tools Co.,Ltd.,Zhuzhou 412199,China)

[size=1em]Abstract：With the rapid development of modern weaponry and aerospace technology, higher requirements for cutting tools were put forward,and the cutting tool coating materials and technical equipment have become the focus of domestic and foreign scholars. The properties and characteristics of TiN, TiC and CrN three commonly used binary coatings were introduced. Taking Ti-based, Al-based and Cr-based ternary and multi-component coatings as examples, the effects of different elements on the performance of coated tools were reviewed.Finally,the basic principles and research status of CVD,PVD and composite coating technologies were summarized,and the prospect was put forward.

[size=1em]Key words：coating tools;coating materials;coating technology

[size=1em]中图分类号：TG174

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：1001-3814(2025)08-0008-09

[size=1em]引用格式：范才河,丁柳鑫,倪雨朦,等.先进硬质合金刀具涂层材料及涂层技术研究现状［J］.热加工工艺,2025,54(8):8-16.

[size=1em]DOI: 10.14158/j.cnki.1001-3814.20231461

[size=1em]http://www.rjggy.net rjggy@vip.163.com

[size=1em]收稿日期: 2023-06-02

[size=1em]修回日期: 2024-12-19

[size=1em]基金项目: 湖南省科技创新领军人才项目(2021RC4036,2020GK2045,202003c08020005)

[size=1em]作者简介: 范才河(1978- ),男,湖南邵阳人,教授,博士,主要研究方向:硬质合金材料;E-mail:369581813@qq.com

[size=1em]通讯作者: 丁柳鑫(1997- ),男,湖南株洲人,硕士,主要研究方向:硬质合金刀具及涂层;E-mail:1752787734@qq.com