刀具涂层材料研究进展
余东海王成勇张凤林
广东工业大学
摘要:随着涂层技术的进步,刀具单涂层向着多元多层及纳米复合技术的方向发展。具有高硬度,高耐磨性及抗高温氧化性能的纳米技术刀具涂层是近来研究的热点,并显示出良好的应用前景。具有低摩擦系数的软涂层刀具的开发为刀具涂层的发展开辟了新的领域。
关键词:刀具,刀具涂层,涂层材料
Development of Cutting Tool Coating Material
Yu Donghai Wang Chengyong Zhang Fenglin
Abstract:Traditional monolayer cutting tool coatings develop in to the mult-i element and multilayer coatings along with the develop ment of coating technology.Nano-technologic cu tting tool coatings which have superior hardness,wear resistance and ox-i dation resistance become the hot poin t of research and display well applied prospects.Soft cutting tools are excellent in friction and wear resistance,which break a new field of coating technology.
Keywords:cutting tool,cutting tool coating,coating materials
1引言
涂层刀具是利用气相沉积方法在高强度的硬质
合金或高速钢(HSS)基体表面涂覆几个微米的高硬
度、高耐磨性的难熔金属或非金属化合物涂层而获
得的。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性
能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特
性,涂层材料作为化学屏障和热屏障,减少了刀具与
工件间的扩散和化学反应,从而减少了月牙洼磨损,
切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上,
提高切削速度20%~70%,提高加工精度015~1
级,降低刀具消耗费用20%~50%。
表1刀具涂层材料发展[1]
时间涂层材料涂层方法主要应用
1968Ti C,TiN CVD硬质合金刀具
1973Ti CN,TiCN+Al2O3CVD硬质合金刀具
1979Ti N PVD高速钢刀具
1981Ti C+Al2O3+TiN CVD硬质合金刀具
1982Ti CN M T-CVD硬质合金刀具
1984Ti CN PVD硬质合金,高速钢刀具
1986Diamond,CBN CVD,PVD硬质合金刀具
1989Ti AlN PVD硬质合金高速刀具
1990Ti N,Ti CN,TiC PCVD硬质合金刀具
1993CrN PVD钛合金,铜合金加工
1994MoS2PVD高速钢刀具
1995CN x CVD,PVD高速钢刀具
2000Ti AlCN PVD硬质合金刀具
2000Ti N/AlN纳米多层PVD硬质合金,高速钢刀具
2003Ti N/a-Si3N4纳米
复合
PCVD硬质合金刀具
2004AlCrN PVD硬质合金,高速钢刀具2005Al2O3PVD硬质合金刀具
涂层刀具的出现是刀具材料发展中的一次革命。自涂层刀具问世以来,刀具涂层技术取得了飞快的发展,涂层种类也越来越多。工业发达国家使用的涂层刀具在切削刀具中占的比例越来越大,约占到70~80%,涂层刀具已经成为现代刀具的标志。表1所示为刀具涂层材料的发展状况,从第一代的单涂层逐渐发展到多元多层涂层以满足不同材料及切削环境的切削加工,随着涂层技术的发展,新型的纳米技术涂层和软涂层逐步走向市场。
2单涂层
TiC和Ti N是最早出现的刀具涂层材料,也是目前国内外应用较多的涂层。TiC涂层硬度高(达HV2500~4200),具有高的抗机械磨损和抗磨料磨损性能,与未涂层刀具相比,有较低的摩擦系数,较小的切削力和较低的切削温度,具有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力,应用温度500e,但其性脆,不耐冲击。TiN涂层是工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料,其突出优点是摩擦系数小,应用温度达到600e,适于加工钢材或切削易于粘在前刀面上的材料。目前国内外的刀具公司都有这两种涂层牌号的产品。
化学气相沉积(C VD)的Al2O3涂层刀具的切削性能高于TiN和TiC涂层刀具,且切削速度愈高,刀具耐用度提高的幅度也愈大。在高速范围切削钢件时,Al2O3涂层在高温下硬度降低较TiC涂层小, Al2O3具有更好的化学稳定性和高温抗氧化能力,因此具有更好的抗月牙洼磨损、抗后刀面磨损和抗刃
收稿日期:2006年2月
口热塑性变形的能力,在高温下有较高的耐用度。第一代Al 2O 3涂层切削刀具中,涂层常常是由A -和J -Al 2O 3的混合物组成,导致不均匀的涂层形貌,严重降低涂层性能[2]
。过去的10年里,在控制A -Al 2O 3晶体成核和细颗粒微观结构方面取得了很大进步。早期的A -Al 2O 3涂层(图1a)出现热裂纹并且易碎,最近通过调节晶核表面的化学作用就可能完全控制并使A -Al 2O 3相成核,形成由细颗粒A -Al 2O 3组成的涂层,避免了转化裂纹(图1b),与早先技术得到的A -Al 2O 3涂层相比,表现出优异的韧性[3]
。
(a)早先技术A -Al 2O 3的微观结构 (b)控制成核和细颗粒尺寸的
现代A -Al 2O 3微观结构
图1 A -A l 2O 3的微观结构
[3]
Al 2O 3涂层的绝缘特性使物理气相沉积(PVD)工艺相当难于控制,且沉积速度很低,如何能通过
PVD 的方法制备Al 2O 3涂层一直是刀具涂层业所关心的问题。CemeCon 公司[4]开发的高电离化脉冲技术(HIP TM ),使优异的AlOx 涂层成为可能。该公司新近开发的建立在磁控溅射TiAlN 涂层基础上的Al 2O 3涂层,涂覆温度低于450e ,在铸铁和高性能合金材料试验上取得了满意结果。
HfN 热膨胀系数非常接近硬质合金基体,涂镀后产生的热应力很小,刀片抗弯强度降低少,因热膨胀系数不同而引起崩刃的危险性减少,且HfN 热稳定性和化学稳定性高于很多高熔点材料,在温度高达817~1204e 时仍有很高的硬度(30GPa),耐磨性好[5]。目前市场上美国Teledyne 公司牌号为HN+及HN+4的刀片及德国Walter 公司牌号为W HN 的刀片都是HfN 涂层刀片。
由于TiC 、TiN 涂层与钛合金和铝合金材料之间的亲和力会使摩擦力和粘结增大,产生粘屑,而CrC 、CrN 和新开发的Mo 2N 、Cr 2O 3等涂层化学稳定性好,不易产生粘屑,适于切削钛、铜、铝及其合金材料。此外常见的单涂层材料还有NbC 、HfC 、ZrC 、Zr N 、B N 、VN 等。
3 多元涂层
单涂层刀具由于基材与涂层两者的硬度、弹性
模量及热膨胀系数相差较远,晶格类型也不尽相同,导致残余应力增加,结合力较弱。在单涂层中加入新的元素(如加入Cr 和Y 提高抗氧化性,加入Zr 、V 、B 和Hf 提高抗磨损性,加入Si 提高硬度和抗化学扩散)制备出多元的刀具涂层材料,大大提高了刀具的综合性能。
最常用的多元刀具涂层是TiCN 、TiAlN 涂层。TiC N 涂层兼有TiC 和TiN 涂层的良好韧性和硬度,它在涂覆过程中可通过连续改变C 和N 的成份来控制TiCN 的性质,并可形成不同成份的梯度结构,降低涂层的内应力,提高韧性,增加涂层厚度,阻止裂纹扩展,减少崩刃。
TiC N 涂层技术不断地在发展,九十年代中期,中温化学气相沉积(MT -CVD)新技术[6,7]的出现,使
C V
D 技术发生了革命性变革。MT -C VD 技术是以有机物乙腈(C H 3C N)作为主要反应气体,在700e 以下生成TiC N 涂层。这种TiC N 涂层方法有效控制了很脆的G 相(Co 3W 3C)生成,提高了涂层的耐磨性、抗热震性及韧性。研究表明:在PVD 沉积TiC N 涂层时适当增加离子束轰击也可明显提高涂层的硬度及耐磨性[8]。近年来,以TiC N 为基的四元成分新涂层材料(如TiZrC N 、TiAlC N 、TiSiCN 等)也纷纷出现。Ti A lN 涂层材料是目前应用最广泛的高速硬质合金刀具涂层之一,TiAlN 有很高的高温硬度和优良的抗氧化能力,涂层组成由原来的Ti 0175Al 0125N 转化为优先使用的Ti 015Al 015N [9]。Ti 015Al 015N 涂层抗氧化温度为800e ,在高速加工中表面会产生一层非晶态Al 2O 3薄膜,对涂层起保护作用。目前人们将研究重点放在对TiAlN 涂层的改进上,以满足应用领域对诸如抗氧化性能、热稳定性能及热硬度等需求的不断提高。目前德国CemeCon 公司采用高电离溅射技术(HIS (r))[10]获得先进的TiAlN 涂层,涂层与基体有极好的结合力,避免了采用多弧离子镀技术时蒸发材料在熔融状态以液滴的形式沉积于工作表面的现象,从而可获得表面非常光滑平整的涂层。Balzers 公司新开发的X.CEED 涂层[4]
也是一种单层Ti A lN 涂层,具有优异的红硬性和抗氧化性,即使在恶劣的条件下,涂层与基体仍具有良好的结合强度。三菱公司的MIRACLE 涂层是含Al 丰富的(Al,Ti)N 涂层,通过大幅提高膜硬度和抗氧化性而实现了对淬火钢的直接加工。
TiB N涂层是基于TiN和TiB2发展起来的多元涂层,它既增强了TiN涂层的硬度,又保持了良好的韧性,避免了B N涂层和TiB2涂层的脆性,涂覆刀具耐磨性及抗腐蚀能力显著提高,且磨擦系数较低[11]。C Heau[12]等人通过溅射T-i B靶材沉积出的T-i B-N涂层结合力得以改善,且达到了44GPa的显微硬度。CemeCon公司开发的TiAlBN涂层,通过硼含量的变化,在加工过程中产生所谓/实时0现象,即通过硼扩散,形成B N、B2N3,从而得到有利于切削加工的润滑膜层[4]。此外还有日立公司开发的高温下具有低摩擦系数的TiBON涂层[13]。
在TiN中加入Si元素形成TiSiN多元涂层,其抗高温氧化性较单涂层Ti N明显提高。日本日立公司开发的适用于硬切削的TiSiN涂层具有36GPa的硬度和1100e的开始氧化温度[13],此外日立公司还以Cr代替Ti元素,开发出具有润滑性,更适合用于铝、不锈钢等粘附性强的材料加工的CrSiN涂层以及四元的具有超强耐氧化性的AlCrSiN涂层。
Balzers公司另一具有代表性的多元涂层是以Cr元素替代Ti元素的AlCrN涂层,称为G6,该涂层具有HV3200的显微硬度,使用温度可达到1000e[13],它的韧性超过钛基涂层(如Ti A lN、TiCN),更适合断续切削和难加工材料的加工。
成都工具研究所开发了我国首创的T-i C-N-O-Al和T-i C-N-B两个系列共三种高性能多元复合涂层,具有优异的复合机械性能和优良的切削性能,主要用于汽车刀具及Hertel系列螺纹梳刀片上[14]。其他的多元涂层材料还有Ti M oN,TiCr N,NbCrN,
NbZrN等。
4多层涂层
随着涂层技术的发展,单层多元涂层也逐渐被多层的复合涂层所取代。根据不同涂层材料的性能和切削条件,涂覆不同的涂层组合,以发挥各种涂层的优越性能。研究较多且有较好应用的是双层涂层和层数在3~7之间的多层复合涂层。
TiC/TiN双层涂层兼有TiC涂层的高硬度和高耐磨性,并有TiN涂层良好的化学稳定性和高抗月牙洼磨损性能。由于TiC的热膨胀系数比TiN更接近基体,涂层的残余应力较小,与基体结合牢固,并有较高的抗裂纹扩展能力,所以常用作多层涂层的底层。Al2O3涂层有很多优良的性能,但Al2O3与基体的结合强度较差,在基体上先沉积一层TiC或TiN (
如TiC/Al2O3,TiN/Al2O3),可以改善Al2O3涂层的结合强度。其它的双层涂层有TiN/CBN、Al2O3/ CB N、TiC/TiBN及Al2O3/Ti2O3等。
三层涂层的组合方式很多,例如TiC/TiC N/TiN、TiC/TiCN/Al2O3、TiC/Ti N/Al2O3、TiC/Al2O3/TiN、TaC/TiC/TiN、TiN/TiC/Ti N和TiC N/TiC/TC N等[15],都是利用各个单涂层的优点根据不同的切削条件组合而成的。最常见是TiC/TiC N/TiN涂层,这种涂层与TiC/TiN涂层相同,切削性能优于单层TiC和TiN 涂层。大多数刀具涂层厂家都有这种组合方式的涂层牌号,如美国Carmet公司的C A9443、CA9721;Ken-na metal公司的KC210、KC250等。
在TiC/TiC N/TiN涂层组合中再加入Al2O3层成为更现代化的涂层[2]。如瑞典Sandvik Coromant公司在CIMT2005上新的GC2015牌号刀具是具有TiC N-TiN/Al2O3-TiN结构的复合涂层(见图2),其中底层的TiC N与基体的结合强度高,并有良好的耐磨性。Ti N/Al2O3的多层结构既耐磨又能抑制裂缝的扩展,表面的TiN具有较好的化学稳定性,又易于观察刀具的磨损。日本不二越公司开发出一种称为SG的新型涂层[16],其结构为TiN/TiC N/Ti,涂层与基体结合强度高,表层为Ti系特殊膜层,具有极好的耐热性。瑞典Seco刀具公司应用新的MT-CVD 生产的TP3000刀片涂层结构如图3所示,其内层的TiC N与基体有较强的结合力和强度,中间的Al2O3作为一种有效的热屏障可允许有更高的切削速度,外层的TiC N保证抗前刀面和后刀面磨损能力,最外一薄层金黄色的TiN使得容易辨别刀片的磨损状态。
图2TiC N/Al2O3/TiN多层涂层
其它的多层涂层组合有如德国Widia公司的TiC/TiCN/TiN/Al(O,N)/TiN涂层,日本三菱金属公司生产的牌号为U66的TiC/特殊陶瓷/Al2O3涂层;美国VR/Wesson公司生产的牌号为680刀片的TaC/TiC/Al2O3/TiN组合涂层,奥地利Tizit金属加工公司生产的牌号为Stamaster Sr17刀片的TiC/TiC N/
图3 TP3000涂层
TiN/陶瓷组合涂层等。 5 纳米技术涂层
随着纳米技术的发展和涂镀技术的进步,纳米刀具涂层材料也引起广大研究者的关注。纳米涂层主要有两种:纳米多层结构和纳米复合结构。纳米多层涂层一般由高层数的同种结构材料、化学键和
原子半径及点阵相近的各单层材料组成,可能得到与组成它的各单层涂层的性能差异显著的全新涂层。这是一种人为可控的一维周期结构,交替沉积单层涂层不超过5~15nm [17]。Chu 和Barnett [18]认为纳米多层涂层的高硬度主要是由于层内或层间位错运动困难所致。当涂层非常薄时,两层间的剪切模量不同,如果层间位错能量有较大差异,则层间位错运动困难,即位错运动的能量决定了超点阵涂层的硬度。纳米多层涂层的结构主要有三种方式:(1)金属氮化物纳米层与金属AlN 纳米层交替涂覆;(2)金属AlN 纳米层与金属AlC N 纳米层交替涂覆;(3)金属氮化物纳米层与金属AlN 纳米层及金属AlC N 纳米层交替涂覆。涂层过程中均可添加其他金属元素(如钛、铌、铪、钒、钽、锆或铬),以进一步提高涂层的硬度、化学稳定性、韧性和抗氧化性能
[19]
。研究表
明,对于TiN/AlN 纳米多涂层,当层厚为2~4nm 时,AlN 呈现立方NaCl 结构,涂层显微硬度达到30~40GPa,其抗氧化温度达到1000e ,采用等离子增强化学气相沉积制得的AlN/TiAlN 纳米多层膜具有高硬度、高附着力和高耐磨性。
纳米多层涂层虽然达到了较高的硬度,但研究认为纳米多层涂层的性能与涂层的周期膜厚有很大关系,当在形状复杂的刀具或零件表面沉积纳米多层膜时,很难控制各层的膜厚,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,而采用单层的纳米复合涂层能解决这些问题。德国材料科学家Veprek
[20]
等根据Koehler
[21]
的外延异质
结构理论,提出了纳米复合超硬涂层的理论和设计
概念,并在由等离子体增强化学气相沉积法制备的T-i S-i N (nc -TiN/a -Si 3N 4)系统中被证实,同时nc -W2N/a -Si 3N 4和nc -VN/a -Si 3N 4也都表现出了良好的机械性能。以nc -TiN/a -Si 3N 4为代表的纳米复合超硬材料,以其优异的性能,如超高硬度、高硬高韧性及低的摩擦系数等,引起了人们的极大兴趣。Zhang [22]
用离子束沉积了nc -Ti N /a -Si 3N 4纳米复合涂层,并系统的研究了其微观结构(见图4)、表面形貌和力学性能。结果显示,在Si 含量1114%时复合涂层达到最大值42GPa 。Kim [23]
等研究了闭合场非平衡磁控反应溅射Ti A lSiN 涂层,由纳米晶的TiAlN 和非晶态的Si 3N 4组成,显微硬度及弹性模量约为42和490GPa 。Nakonechan [24]等用阴极弧P VD 制备了(Ti,Si,Al)N 涂层,最大硬度38~39GPa 。Ribeiro [25]
等研究了离子轰击对(Ti,Si,Al)N 涂层的影响,发现系统中存在TiAlN 和SiNx 相,并形成了nc -TiN/a -Si 3N 4复合纳米结构,增加离子轰击可使硬度从30GPa 增大到45GPa 。
图4 nc -TiN/a -Si 3N 4纳米复合涂层TEM 图像[28]
尽管这些纳米结构的涂层大多是实验室里的结果,但其结果显示出了纳米结构涂层在金属切削中的良好前景。
日本住友公司开发的AC105G,AC110G 等牌号的ZX 涂层[26](见图5)是一种TiN 与AlN 交替的纳米多层涂层,层数可达2000层,每层厚度约为1nm 。这种新涂层与基体结合强度高,涂层硬度接近CB N,抗氧化性能好,抗剥离性强,而且可显著改善刀具表面粗糙度,其寿命是TiN 、TiAlN 涂层的2~3倍。Balzers 公司开发并已被应用的FUTUNA NANO 和FUTUNA TOP 是两种TiAlN 纳米结构涂层,涂层硬度平均为HV3300,开始氧化温度为900e 。瑞士Platit 公司开发纳米多层涂层,以AlN 作为主层,TiN -Cr N 为中间层,两者相互交替形成多层结构[27]
。试验表明,当周期为7nm 时涂层的硬度达到最高,约
45GPa 。该公司利用LARC (r)(Lateral Rotating ARC -Ca thodes)技术开发的新一代nc-TiAlN/(a -Si 3N 4)纳米复合涂层(见图6)是在强等离子体作用下,3nm
的TiAlN 晶体被镶嵌在非晶态的Si 3N 4体内,在晶粒之间为1nm 厚的Si 3N 4,这种结构使涂层硬度可达到50GPa,且高温硬度更是十分突出,当温度达到1200e 时,其硬度值仍可保持在30GPa [28]
。日立公司最近也开发了采用纳米结晶材料组成TH 涂层(TiSiN),实现了耐高温和高硬度。该涂层在从预硬钢到淬火钢的高速切削加工、高效加工中有显著的优越性,加工效率提高2倍以上,与常用涂层的比较如图7所示,切削加工时由于耐高温,所以最适合干铣削加工。同时日立公司还开发了纳米结构适用于软钢加工领域的CS 涂层(CrSi N )[29]
。三菱综合材料神户工具生产的/I MP ACT MI RACLE 立铣刀0采用先进的单相纳米结晶(Al,Ti,Si)N 涂层,氧化温度达到了1300e ,与基材的结合力达100N,在加工60HRC 左右的高硬度材料时,可大幅延长刀具的寿命[30]
。
图5 ZX 纳米多层涂层[3
2]
图6 nc -TiAlN/a -Si 3N 4纳米复合涂层[28]
Cemecom 公司新的纳米结构Supernitrides 涂层[31](见图8)成分中含有可生成不同氧化物的高含量元素。这类涂层将硬质涂层卓越的抗磨损性能及
传统的氧化涂层所具有的化学稳定性完美地结合起
来,在应用中表现出极佳的热稳定性及化学稳定性。
涂层的形态及构成(例如铝含量、结构、表面光洁程度等)可根据应用的需要进行最佳设计。对多种不同的被加工材料(如CGI 、42CrMo4、铸铁、工具钢等)进行钻削、铣削、滚削和车削加工测试的结果证实了Supernitrides 涂层的优越性能。
切削条件:被切削材料SKD11(HRC62)切削速度:V =201m/mi n (N =3200min -1)每刃进给量:f z =0115/tooth (F =960mm/min)
切深@切宽:A d @P f =013@015mm 切削液:干式切削,顺铣,气冷
图7 TH 涂层的硬度与铣削加工性能与比较[30]
图8 Supernitrides 涂层的显微结构与铣削加工性能
6超硬材料涂层
6.1金刚石、类金刚石(DLC)涂层
金刚石涂层是新型刀具涂层材料之一。它利用低压化学气相沉积技术在硬质合金基体上生长出一层由多晶组成的金刚石膜,用其加工硅铝合金和铜合金等有色金属、玻璃纤维等工程材料及硬质合金等材料,刀具寿命是普通硬质合金刀具的50~100倍。金刚石涂层采用了许多金刚石合成技术,最普通的是热丝法、微波等离子法和DC等离子喷射法。通过改进涂层方法和涂层的粘结,已生产出金刚石涂层刀具,并在工业上得到了应用。
近年来,美国、日本和瑞典等国家都已相继推出了金刚石涂层的丝锥、铰刀、铣刀以及用于加工印刷线路板上的小孔金刚石涂层硬质合金钻头及各种可转位刀片,如瑞典Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25等牌号产品[32,33]。美国Turchan公司开发的一种激光等离子体沉积金刚石的新工艺,用此法沉积金刚石,由于等离子场包围整个刀具,刀具上的涂层均匀,其沉积速度比常规CVD法快1000倍。此法所成的金刚石涂层与基体之间产生真正的冶金结合,涂层强度高,可防止涂层脱落、龟裂和裂纹等缺陷[34]。CemeCon公司具有特色的C VD金刚石涂层技术,2000年建立生产线,使金刚石涂层技术达到工业化生产水平,其技术含量高,可以批量生产金刚石涂层。
类金刚石涂层在对某些材料(Al、Ti及其复合材料)的机械加工方面具有明显优势。通过低压气相沉积的类金刚石涂层,其微观结构与天然金刚石相比仍有较大差异。九十年代,常采用激活氢存在下的低压气相沉积DLC,涂层中含有大量氢。含氢过多将降低涂层的结合力和硬度,增大内应力。DLC 中的氢在较高的温度下会慢慢释放出来,引起涂层工作不稳定。不含氢的DLC硬度比含氢的DLC高,具有组织均匀、可大面积沉积、成本低、表面平整等优点,已成为近年来DLC涂层研究的热点。美国科学家A.A.Voevodin[35]提出沉积超硬DLC涂层的结构设计为T-i TiC-DLC梯度转变涂层,使硬度由较软的钢基体逐渐提高到表层超硬的DLC涂层。这类复合涂层既保持了高硬度和低摩擦系数,又降低了脆性,提高了承载力、结合力及磨损抗力。日本住友公司推出了在硬质合金刀片上涂覆金刚石DLC的DL1000涂层,用于切削铝合金和非铁金属,抗粘结,能有效降低已加工表面的粗糙度。
经过多年的研究表明:由于类金刚石涂层的内应力高、热稳定性差及与黑色金属间的触媒效应使SP3结构向SP2转变等缺点,决定了它目前只能应用于加工有色金属,因而限制了它在机加工方面的进一步应用。但是近年来的研究表明,以SP2结构为主的类金刚石涂层(也称为类石墨涂层)硬度也可达到20~40GPa,却不存在与黑色金属起触媒效应的问题,其摩擦系数很低又有很好的抗湿性,切削时可以用冷却剂也可用于干切削,其寿命比无涂层刀具成倍提高,可以加工钢铁材料,因而引起了涂层公司、刀具厂家的极大兴趣。假以时日,这种新型的类金刚石涂层将会在切削领域得到广泛的应用[36]。
6.2立方氮化硼(C BN)涂层
CB N是继人工合成金刚石之后出现的另一种超硬材料,它除了具有许多与金刚石类似的优异物理、化学特性(如超高硬度,仅次于金刚石,高耐磨性,低摩擦系数,低热膨胀系数等)外,同时还具有一些优于金刚石的特性[37]。CBN对于铁、钢和氧化环境具有化学惰性,在氧化时形成一薄层氧化硼,此氧化物为涂层提供了化学稳定性,因此它在加工硬的铁材、灰铸铁时耐热性也极为优良,在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、淬火钢、钛合金等,并能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的硅铝合金等难加工材料。自1987年Ina-ga wa[38]等成功地制备了出纯的CBN涂层以来,在国际上掀起了CB N硬质涂层的研究热潮。低压气相合成CBN涂层的方法主要有CVD和PVD法。CVD 包括化学输运PCVD,热丝辅助加热PC VD,ECR-C VD等;PVD则有反应离子束镀、活性反应蒸镀、激光蒸镀离子束辅助沉积法等。研究结果表明:在合成CB N相、对硬质合金基体的良好粘结和合适的硬度等方面已取得了进展,目前沉积在硬质合金上的立方氮化硼最大仅为012~015L m,若想达到商品化,则必须采用可靠的技术来沉积高纯的经济的CB N涂层,其厚度应在3~5L m,并在实际金属切削加工中证实其效果。
6.3C Nx涂层
二十世代八十年代,美国科学家Liu和Co-hen[39]设计了类似B-Si3N4的新型化合物B-C3N4,并采用固体物理和量子化学理论计算出它的硬度可能达到金刚石,这引起了世界各国科学家的关注。合成氮化碳成为世界材料科学领域的热门课题。日本Okayama大学的F Fujimoto[40]采用电子束蒸发离子束辅助沉积法获得的氮化碳涂层达到6317GPa,武
汉大学[41]合成的氮化碳硬度分别达到50GPa,并沉积到高速钢麻花钻上,获得非常好的钻孔性能。合成氮化碳的主要方法有真流和射频反应溅射法、激光蒸发和离子束辅助沉积法EC R-C VD法、双离子束沉积法等。
7软涂层
软涂层刀具的研究开发为提高刀具性能开拓了新途径,为新型涂层刀具的设计提供了新思路和新的研究领域[42]。软涂层刀具在特殊使用条件下,刀具表面固体润滑膜会转移到工件材料表面,形成转移膜,使切削过程中的摩擦发生在转移膜与润滑膜之间,因而具有优良的摩擦学特性,如:摩擦系数低、承载极限高、高温下化学稳定性好、能适应1000e 以上的工作温度,适于在高温、大载荷等特殊环境条件下使用,并可应用于干切削,能降低加工成本等,具有重大的理论和实际意义,具有广阔应用前景[43]。软涂层材料主要有MoS2基的软涂层材料及WC/C中硬型滑性涂层材料。前者能大大改善刀具的切入性能,并防止积屑瘤的产生;后者切入时摩擦因数虽比MoS2涂层稍高,但它的抗磨损性能较好。软涂层可单独使用,也可先在刀具表面上进行硬质涂层,再在其上涂MoS2软涂层,无论是切钢或加工高硅铝合金都有好的效果。
软涂层刀具技术在国外刚刚起步,而国内这方面的研究报道较少。最近瑞士开发出一种称为/MOVIC0软涂层的新工艺,在刀具表面镀一层MoS2,在工业生产条件下试验,初步取得了良好效果。德国Guhring刀具公司新推出的MolyGlide软涂层的硬度仅为HV20~50,它是在TiN硬涂层基础上涂覆一层012~015L m厚的MoS2减摩涂层,摩擦系数仅为0105~0110,是TiN涂层与钢材摩擦系数的1/4,具有不粘附和自润滑的作用,避免加工高塑性、高韧性工作材料时出现粘刀及积屑瘤现象,非常适合于干式或微量润滑条件下钻削加工铝合金、钛合金等轻金属材料。在CIMT2005上展出的软硬结合的涂层有Ti A l N/MoS2,TiAlN/WC/C及TiN/TiC N/MoS2等[44]。其它硫化物如W S2、TaS2等软涂层的研究也取得了一定的进展。
8结语
刀具涂层技术较好解决了刀具强度和韧性之间的矛盾,通过优化涂层的晶格结构、添加合金元素及多层涂层组合来提高涂层的强韧性,以适应不同的切削条件,大大提高了刀具的耐用度和切削速度。目前研究的热点是开发具有纳米多层结构和纳米复合涂层的新型刀具涂层材料,具有特殊性能的刀具软涂层也将成为刀具涂层材料新的研究领域。
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第一作者:余东海,博士研究生,广东工业大学,510090广州市
我国15项纳米技术标准提升产业竞争力
6月5日在北京举行的国家纳米科学技术指导协调委员会工作会上,科技部副部长程津培表示:自2005年4月国家纳米技术标准委员会成立至今,我国已正式出台纳米技术标准15项,其中国家标准11项,行业标准4项。可以说该工作已走在世界前列,为提高产业竞争力提供了有力保障。
程津培代表国家纳米科学技术指导协调委员会作了委员会工作报告。他说,当前我国纳米材料领域优势比较突出,处于国际领先地位;纳米器件研究工作部分进入先进国家行列;纳米生物与医学研究起步虽晚,但研究水平迅速提高;在纳米表征、毒理学及生物安全等新领域,我国的研究工作基本与国际同步。
程津培指出,/十一五0期间,要围绕5国家中长期科学和技术发展规划纲要6战略目标,认真落实/纳米研究0重大科学研究部署,突出战略重点,加强顶层设计;继续加强纳米科学技术平台建设和人才团队的培养;大力促进成果转化;加强国际合作与交流。
委员会首席科学家、专家组组长白春礼作了关于纳米科学技术发展的学术报告,全面介绍了国内外纳米科学技术研究的发展趋势和重点。在总结/十五0期间取得的成绩后,他指出,我国具有高附加值的纳米技术产品较少;另外,中国纳米技术专利数量虽然位列世界第四,但其中大部分属于材料制备方法,而国外专利大部分在应用方面。他说:/提出的方法虽然多,如果不能实现应用也是不够的。0
白春礼介绍了我国纳米科学技术今后的发展方向。他认为首先应发展纳米材料和纳米测量中的基础标准,应集合全国的力量,形成我国在纳米标准领域的特色优势。此外他还表示,应向纳米器件及其原器件的基础研究、新型医用纳米材料和纳米药物、纳米材料可控设备、纳米表征检测技术等方面发展。
收稿日期:2009206201; 修订日期:2009206225 作者简介:邢亚哲(19762 ),陕西岐山人,讲师,博士.研究方向:材料表 面强化及器件制造. Email:x ingyazhe@gm https://www.doczj.com/doc/8016190813.html, 热障涂层的制备及其失效的研究现状 邢亚哲,郝建民 (长安大学材料科学与工程学院,陕西西安710064) 摘要:热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的保护涂层,其抗高温失效能力直接决定了部件的工作效率和寿命。回顾热障涂层的发展历史及研究现状,着重介绍了热障涂层的主要制备方法及其相应涂层的结构特征,综述了各类热障涂层失效的影响因素和失效机理。 关键词:热障涂层;电子束物理气相沉积;等离子喷涂;失效机理 中图分类号:TG174.44 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0720922204 Re se a rc h Stat us in Fa bric at ion and Fa ilure of The rmal Barrie r Co atings XING Ya 2zhe,HAO Jian 2min (School of Mater ials Science and Engineering,Chang p an University,Xi p an 710064,China) Abst ract:Thermal barrier coatings are widely used to protect the components in aircraft and industrial gas 2turbine engines against high temperature damage.The e ne rgy efficiency and lifetime of these components are mainly dominated by the failure resistance of thermal barrier coatings in the high te mperature atmosphere.In this paper,the development and research status of thermal barrie r coatings are reviewe d.Especially,the main fabricating methods and the microstructure fe ature of the coatings,as well as the factors re sulting in the failure of thermal barrier coatings and its failure mechanisms,are summarized in detail. K e y words:Thermal barrier coatings;Electron beam physical vapor deposition;Plasma Spraying; Fa ilure mechanism 随着现代工业的发展,数以百计种类型的涂层被用在各种结构材料表面,以使这些材料表面免受腐蚀、磨损、侵蚀和高温氧化等危害。热障涂层(T BCs:Thermal Barrier Coatings)就是其中的一种,其具有最复杂的结构且工作在高温环境下,常作为航空发动机和燃气轮机受高温零件的保护涂层,以提高设备的工作温度和效能,同时减少温室气体的排放量。典型的TBCs 在结构上包含四个部分 [1] :1基体,即被保护的 零件;o金属结合层(BC:Bond Coat),通常为高温合金MCrA lY(M 代表Ni 、Co 或NiCo 合金);?热生长氧化物层(T GO:Thermally Grown Oxide),TGO 是在高温条件下外部氧通过T C 层到达BC 层表面并使其氧化而形成的,通常为一致密的Al 2O 3薄膜,在随后的工作过程中能够阻止外部氧向BC 层内部和基体的扩散,起到保护基体(零件)的作用;?陶瓷顶层(TC:Top Coat),一般为6%~8%Y 2O 32Zr O 2(YSZ), 正是由于YSZ 低的热传导率和相对较高的热膨胀系数,使其具有优越的热障和耐热冲击性能。目前,TBCs 研究的难点和重点主要为对其失效的控制[1~4]。为此,对TBCs 微观结构的研究显得尤为重要。而作为控制其微观结构的主要因素,即TBCs 的制备工艺就成了国内外学者们关注的热点。1 基于制备工艺的T BCs 的发展历程 早期在航空航天发动机中应用的TBCs(又称第一代T BCs),其BC 层和TC 层均采用大气等离子喷涂(APS:Atmospheric Plasma Spr aying)制备。对于APS BC 层,涂层含氧量较高,特别是有一定量的氧化镍生成,而氧化镍的存在致使难以形成在高温下具有保护性能的致密TGO 氧化膜,BC 层使用过程中容易在其内部也发生显著氧化而使层内结合弱化,裂纹易在BC 层内扩展而造成涂层剥落失效,使得该类T BCs 寿命较低。 随着低压(又称真空)等离子喷涂(LPPS:Low Pressur e Plasma Spraying)技术的进步和发展,逐步采用VPS 制备BC 层,避免了喷涂过程中高温合金BC 层的氧化,并通过热扩散处理,从根本上强化了BC
刀具涂层技术的现状与发展 摘要：刀具涂层技术是一种受刀具市场需求而产生的一种表面改性技术，该项技术能改变切削刀具的综合机械性能，大幅度提升加工效率以及刀具寿命，刀具涂层技术成为高效率、高精度、高可靠性要求的关键机械加工技术之一。本文着重介绍了刀具涂层技术的涂层材料的制备方法及种类，并对刀具涂层技术的应用前景及发展趋势进行了展望。从工艺、装备、技术开发、推广应用、售后服务等方面分析我国刀具涂层技术与工业发达国家的差距；文中建议我国工具行业应针对国内刀具涂层技术现状，建立统一的研究、开发、服务体系，系统地引进国际先进技术，通过消化吸收逐步达到自我开发的能力，最终实现参与国际市场竞争的目的。 关键词：刀具;涂层技术;PVD;CVD 1 引言 刀具涂层技术是一种受刀具市场需求而产生的一种表面改性技术，该项技术能改变切削刀具的综合机械性能，大幅度提升加工效率以及刀具寿命，因此该项技术已与材料、加工工艺并称为切削刀具制造的三大关键技术。为了满足机械加工的高效率、高精度、高可靠性的要求，各个国家都十分注重刀具涂层技术的发展。当前，我国刀具涂层技术正处于一个发展的十分关键的时期，特别是PVD涂层技术，使用原有的涂层技术生产的刀具已不能满足切削加工要求；发展PVD技术，能提高我国切削刀具的水平，获得巨大的经济效益，提高我国的综合国力。 2 国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势 刀具涂层技术目前分为两大类，即化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）技术。 2.1 物理气相沉积（PVD）技术的发展 习惯上，把固体(液态)镀料通过高温蒸发、溅射、电子束、等离子体、激光束、电弧等能量形式产生气相原子、分子、离子(气态，等离子态)进行输运，在固态表面上沉积凝聚，生成固相薄膜的过程称为物理气相沉积(PVD)。 物理气相沉积（PVD）技术产生于上世纪七十年代末，因为它的工艺温度控制在500℃以下，，可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。PVD技术大大提高了高速钢刀具切削性能，该项技术与八十年代得到迅速推广。八十年代后期，一些发达国家PVD涂层高速钢刀具比例已占市场已超过了60%。 高速钢刀具成功应用PVD技术，引起了世界各国的青睐与重视，各国研究者在不断开发高的性能、高可靠性涂层装备的同时，也对其应用领域进行了更加深入的研究，以进行扩大，特别是在硬质合金刀具、陶瓷刀具方面的应用。与CVD涂层技术相比，PVD技术的处理温度低，刀具材料抗弯强度通常温度在600℃以下不会产生影响；薄膜的内部为压应力，因此，适合涂层硬质合金精密复杂类刀具，PVD技术对环境不会产生不利影响，更加符合绿色工业发展的方向。伴随着高速加工时代的到来，硬质合金刀具、陶瓷刀具使用的比例必然上升，高速钢刀具使用的比例必然下降。因此，一些发达国家在九十年代初便将重心转向硬质合金刀具PVD涂层技术的研究，九十年代中期，PVD涂层技术在硬质合金刀具上的应用已取得了突破性的进展，当时已普遍在铣刀、铣刀片、各种钻头、铰刀、丝锥、等的刀具上应用。 从大的方面来看，现在国际上的PVD涂层技术大致可分成真空蒸镀、溅射、离子镀，但从这三种主要的镀膜技术衍生出了各式各样的新技术。伴随着PVD技术的进一步发展，科学家们把离子束、等离子体引入到PVD涂层技术上，同时通入某些反应气体，由化学反应来制备金属镀层，因此，当前的PVD涂层技术已不是原先单纯的物理制备过程，PVD涂层技术和CVD涂层技术已经相互交融。单一的涂层材料显然无法满足综合刀具机械性能的要求，无法被市场接受，涂层材料正向着多元不断的发展。为实现不同的高性
刀具材料的研究现状及展望 2012034110 李贺 【摘要】随着难加工材料的日益增多以及对加工效率的要求的提高，刀具的发展对提高生产效率和加工质量具有直接影响。本文以刀具材料为主线，介绍了高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料等刀具材料的性能以及现状。根据刀具材料的优缺点提出其适合的加工切削条件，同时在理论层面提出对未来发展的思考。 【关键词】高速钢；硬质合金；陶瓷；超硬材料；研究现状；展望 1 刀具失效形式和性能要求 刀具磨损是刀具的主要失效形式，常见的失效形式有：磨粒磨损、氧化磨损、粘结磨损、扩散磨损等正常磨损；卷刀、崩刃、崩碎、打刀等非正常磨损[1]。由此，刀具材料应具有良好的力学性能，另外还应具有良好的工艺性能以及可最大限度降低刀具成本的经济性[2]。 2 高速钢刀具材料 高速钢刀具材料可分为传统熔融高速钢、粉末冶金高速钢和少无莱氏体高速钢。但随着加工材料的发展，虽然其能满足通用工程材料切削加工的要求，但其性能已不够先进。 2.1 传统熔融高速钢 熔融高速钢刀具材料分为：普通高速钢；高性能高速钢。普通高速钢具有较好的塑性，常温硬度63～66HRC，而在高温下，硬度很差。高性能高速钢的硬度普遍比普通高速钢提高2～4 个HRC，高温硬度也较好，但是其抗弯强度、韧性较低[3]。 2.2 粉末冶金高速钢、少无莱氏体高速钢 粉末冶金高速钢及少无莱氏体高速钢解决了熔炼高速钢在冷凝过程中产生的粗大碳化物偏析及碳化物粗大问题。 少无莱氏体钢在热处理时需要进行渗碳处理提高表层的含碳量，以增加硬度，表层经淬火及回火后硬度可达66～67HRC 以上，成为超硬高速钢。少无莱氏体高速钢刀具有芯韧表硬的特点，具有好的综合性能[4]。 3 硬质合金刀具材料 硬质合金是由硬度和熔点很高的碳化物（称硬质相）和金属（称粘结相）。近年来随着材料技术的发展，将其分为P、M、K、H、S、N 六个系列[5]。P 类，主要用于切削钢材；K 类，主要用于切削铸铁；M 类，为普通型硬质 合金；H 类，主要用于切削高硬材料，如淬硬钢，冷硬铸铁等；S 类，用于切削耐热材料、高温合金等；N 类，用于切削有色金属[6]。 3.1 传统硬质合金刀具材料 分类：碳化钨基硬质合金、碳（氮）化钛基硬质合金。 性能：硬度为89.5～94HRA，具有较好的红硬性、耐磨性等综合性能，其适于加工未淬火的钢材。
目前已有许多种刀具涂层可供选择，包括PVD涂层、CVD涂层以及交替涂覆PVD和CVD的复合涂层等，从刀具制造商或涂层供应商那里可以很容易地获得这些涂层。本文将介绍一些刀具涂层共有的属性以及一些常用的PVD、CVD涂层选择方案。在确定选用何种涂层对于切削加工最为有益时，涂层的每一种特性都起着十分重要的作用。 1.涂层的特性 (1)硬度 涂层带来的高表面硬度是提高刀具寿命的最佳方式之一。一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的寿命越长。氮碳化钛(TiCN)涂层比氮化钛(TiN)涂层具有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂层的硬度提高了33%，其硬度变化范围约为Hv3000～4000(取决于制造商)。表面硬度高达Hv9000的CVD金刚石涂层在刀具上的应用已较为成熟，与PVD涂层刀具相比，CVD 金刚石涂层刀具的寿命提高了10～20倍。金刚石涂层的高硬度和切削速度可比未涂层刀具提高2～3倍的能力使其成为非铁族材料切削加工的不错选择。 (2)耐磨性 耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力。虽然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生产过程中添加的元素和采用的工艺可能会引起刀具切削刃崩裂或磨钝。 (3)表面润滑性 高摩擦系数会增加切削热，导致涂层寿命缩短甚至失效。而降低摩擦系数可以大大延长刀具寿命。细腻光滑或纹理规则的涂层表面有助于降低切削热，因为光滑的表面可使切屑迅速滑离前刀面而减少热量的产生。与未涂层刀具相比，表面润滑性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度进行加工，从而进一步避免与工件材料发生高温熔焊。 (4)氧化温度 氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成一层氧化铝，氧化铝层可将热量从刀具传入工件或切屑。与高速钢刀具相比，硬质合金刀具的切削速度通常更高，这就使TiAlN成为硬质合金刀具的首选涂层，硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种PVD TiAlN 涂层。 (5)抗粘结性 涂层的抗粘结性可防止或减轻刀具与被加工材料发生化学反应，避免工件材料沉积在刀具上。在加工非铁族金属(如铝、黄铜等)时，刀具上经常会产生积屑瘤(BUE)，从而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。一旦被加工材料开始粘附在刀具上，粘附就会不断扩大。例如，用成型丝锥加工铝质工件时，加工完每个孔后丝锥上粘附的铝都会增加，以至最后使得丝锥直径变得过大，造成工件尺寸超差报废。具有良好抗粘结性的涂层甚至在冷却液性能不良或浓度不足的加工场合也能起
*2005民口配套项目 周洪:男,1972年生,博士生,讲师,主要从事材料表面技术的研究工作 E -mail :zhouhong @https://www.doczj.com/doc/8016190813.html, 热障涂层材料研究进展* 周 洪,李 飞,何 博,王 俊,孙宝德 (上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200030) 摘要 简要概述了热障涂层材料的基本要求,介绍了国内外热障涂层材料近年来的研究状况和发展趋势。目前 广泛使用的是Y 2O 3稳定Z rO 2热障陶瓷材料及其粘结层材料,而稀土锆酸盐和稀土氧化物是非常有前景的隔热材料。 关键词 热障涂层 M C rAlY 二氧化锆 Research Progresses in Materials for Thermal Barrier Coatings ZHO U Hong ,LI Fei ,HE Bo ,WANG Jun ,SUN Baode (T he Sta te K ey Labor atory of M e ta l M at rix Co mpo sitio ns ,Shanghai Jiao tong U niver sity ,Shanghai 200030) A bstract T he rmal bar rie r coating s (T BCs )o ffer the po tential to significantly improve efficiencies of aero en -g ines a s w ell as g as turbine engines fo r po wer generatio n.State -of -the -ar t T BCs ,ty pica lly consisting of an y ttria -stabi -lized zir co nia top coat and a metallic bo nd co at ,hav e bee n widely used to prolong lifetime now adays.In the pape r ,re -sear ch status a nd prog resses o f materials for the rmal bar rie r coating s a re briefly rev iew ed.Except y ttria stabilized zir -co nia ,o ther materials such a s lanthanum zirconate and rar e ear th o xides a re also promising materials for thermal bar rie r co ating s. Key words ther mal bar rier co atings ,M CrA lY ,zir co nia 0 引言 热障涂层(T hermal bar rier coating s ,简称T BCs )通常是指沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层,主要用来降低 基体的工作温度,免受高温氧化、腐蚀、磨损。美国N AS A -Lew is 研究中心为了提高燃气涡轮叶片、火箭发动机的抗高温和耐腐蚀性能,早在20世纪50年代就提出了热障涂层概念。在涂层材料选择和制备工艺上进行较长时间的探索后,80年代初取得了重大突破,为热障涂层的应用奠定了坚实基础。文献表明,目前先进陶瓷热障涂层能在工作环境下降低零件温度170℃左右[1～3]。随着热障涂层在高温发动机热端部件上的应用,人们认识到热障涂层的应用不仅可以达到提高基体抗高温腐蚀能力,进一步提高发动机工作温度的目的,而且可以减少燃油消耗、提高效率、延长热端部件的使用寿命。与开发新型高温合金材料相比,热障涂层的研究成本要低得多,工艺也现实可行[2,4]。 1 热障涂层系统材料体系 高温隔热涂层的研究发展经历了数十年。20世纪60年代研制出β-NiA l 基铝化物涂层,但其脆性大,A l 元素向基体扩散 快,寿命短;之后出现了加入Cr 、Ti 、Si 、Y 、T a 、Pt 等元素改进的铝化物涂层,其中镀Pt 渗Al 形成的铂铝涂层具有较长的寿命。目前普遍使用的热障涂层系统是以M Cr AlY (M =N i ,Co ,Fe ,N i +Co )高温抗氧化合金为中间粘结层,表面覆盖Y 2O 3稳定的Z rO 2陶瓷隔热涂层[5,6]。 1.1 热障涂层陶瓷材料 热障涂层材料需要具有难熔、化学惰性、相稳定和低热导、低密度、高热反射率等重要物理化学特征,同时要考虑其热膨胀 系数与基体材料相匹配。另外,针对高温部件氧化腐蚀的问题,应当考虑低烧结率、界面反应和抗高温氧化腐蚀等因素。 陶瓷材料具有离子键或共价键结构,键能高,因此熔点高、硬度高、化学性能稳定,是热障涂层的理想材料。但韧性、抗疲劳性和抗热震性较差,对应力集中和裂纹敏感。目前使用的热障涂层陶瓷材料多为金属氧化物,这是因为金属氧化物陶瓷的导热以声子传导和光子传导机理为主,热导率较低且其涂层在富氧环境中具有良好的高温稳定性[7]。常用氧化物陶瓷的导热顺序为[8]: BeO >M g O >Al 2O 3>CaO >Z rO 2 常用热障涂层陶瓷材料有Al 2O 3、Z rO 2、SiO 2等,主要性能如表1所示[6,8～10]。 研究表明[1,2,4,9～12],Z rO 2是目前应用广泛、综合性能最好的热障涂层材料。它具有高熔点、耐高温氧化、良好的高温化学稳定性、较低且稳定的热传导率和优良的抗热震性等特性,并且热膨胀系数接近金属材料。纯Zr O 2具有同素异晶转变,常温下稳定相为单斜结构;高温下稳定相则为立方结构: 单斜相(m ) 1170℃950℃ 正方相(t )2370℃ 立方相(c ) 单斜相与四方相间转化因伴有3%～6%的体积分数变化而导致热应力产生,因此,使用纯Z rO 2制备的热障涂层不稳定。为避免这个缺点,可采用M gO 、CaO 、CeO 2、Sc 2O 3、In 2O 3、Y 2O 3等氧化物来稳定Z rO 2,起到相变增韧的效果[8]。最早使用的是22%M gO 完全稳定的Zr O 2,在热循环过程中M gO 会从固溶体中析出,使涂层热导率提高,降低了涂层的隔热性能。CaO 对Zr O 2的稳定也不好,在燃气的硫化作用下,CaO 从涂层
刀具涂层技术的现状及其发展 趋势 机电商情网添加时间：2007-2-6 15:57:24 添加到我的收藏 1 引言 众所周知，刀具表面涂层技术是应市场需求而发展起来的一项优质表面改性技术，由于该项技术可使切削刀具获得优良的综合机械性能，不仅可有效地提高刀具使用寿命，而且还能大幅度地提高机械加工效率，因此该项技术已与材料、加工工艺并称为切削刀具制造的三大关键技术。为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各国都十分注重涂层技术的发展。目前我国刀具涂层技术的发展正处在一个十分关键的时刻，尤其是PVD 涂层技术，一方面原有的技术已不能满足切削加工日益变化的要求；另一方面国内各大工具厂涂层设
备已到了必须更新换代的时期，因此有计划、按步骤的发展PVD技术，不仅能促进我国切削刀具产品技术水平的提高，而且还可获得巨大的经济效益和社会效益。 2 国际刀具涂层技术的现状及发展趋势 刀具涂层技术目前仍可划分为两大类，即 CVD（化学气相沉积）和PVD技术（物理气相沉积）。 2.1 国际CVD技术的发展 CVD技术自上世纪六十年代出现以来，在硬质合金可转位刀具上得到了极为广泛的应用。在CVD工艺中，气相沉积所需金属源的制备相对容易，可实现TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等单层及多元多层复合涂层，其涂层与基体结合强度高，薄膜厚度可达7～9μm，相对而言，CVD涂层具有更好的耐磨性。八十年代中后期，美国85%的硬质合金
工具采用了涂层处理，其中CVD涂层占到了99%；九十年代中期，CVD涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占到了80%以上。但CVD工艺也有其先天性的缺陷，一是工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度的下降；二是薄膜内部为拉应力状态，使用中易导致微裂纹的产生；三是CVD工艺所排放的废气、废液会造成工业污染，对环境影响较大，与目前所提倡的绿色工业相抵触，因此九十年代中期后高温CVD技术的发展受到了一定的制约。 八十年代末Krupp Widia开发的PCVD（低温化学气相沉积）技术达到了实用水平，其工艺处理温度已降至450℃～650℃，有效地抑制了η相的产生，可进行TiN、TiCN、TiC等涂层，用于螺纹刀具、铣刀、模具等，但到目前为止PCVD工艺在刀具涂层领域内的应用并不十分广泛。 真正引起CVD技术发生突变的是九十年代中期新
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910275801.1 (22)申请日 2019.04.08 (71)申请人 大连理工大学 地址 116024 辽宁省大连市甘井子区凌工 路2号 (72)发明人 吴东江 刘妮 牛方勇 马广义 余超 散俊德 (74)专利代理机构 大连理工大学专利中心 21200 代理人 李晓亮 潘迅 (51)Int.Cl. C23C 24/10(2006.01) B22F 3/105(2006.01) B33Y 10/00(2015.01) B33Y 30/00(2015.01) B33Y 70/00(2015.01) (54)发明名称一种激光增材制造热障涂层材料的方法(57)摘要本发明提供一种激光增材制造热障涂层材料的方法，属于增材制造领域。该方法主要是采用激光直接沉积技术在NiCrAlY基体中混入不同含量的Al 2O 3增强基体性能。主要步骤包括：步骤A，调整送粉器送粉速率使Al 2O 3占二者混合粉末质量分数范围为5％～25％；步骤B，调整工艺条件，确定NiCrAlY送粉速率为1.5～2g/min，调整激光扫描速度100～400mm/min。步骤C，实际成形，成形不同结构件时工艺参数需要进行相应调整。本发明采用Al 2O 3增强NiCrAlY基体，提高金属基体的耐磨性并且一定程度上提高金属基体的综合力学性能，降低NiCrAlY的摩擦系数。另外，本发明采用激光增材制造技术相比于等离子喷涂等方法可以灵活的控制粉末的比例，实现两种粉末不同比例混合成形，而且成形组织致密， 层间结合力良好。权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 109811338 A 2019.05.28 C N 109811338 A
第25卷第1期2010年2月 Vol．25，No．1 Feb ．2010 China Tungsten Industry 收稿日期：2009－12－24基金项目：科技部支持项目（2009ZX04012-023）：高效可转位刀具系列及超硬工具的研究及产业化作者简介：李力（1984-） ，男，河南洛南人，硕士研究生，从事粉末冶金制备硬质合金刀具方面的研究。文章编号：1009－0622(2010)01－0045-05 硬质合金刀具新技术研究进展 李 力，栾道成，胡 涛，张崇才 （西华大学，四川成都610039） 摘要：随着硬质合金研究的进展，硬质合金刀具已在越来越多的领域代替常规刀具材料。笔者从硬质合金刀具的 性能和应用、 烧结技术、及表面加工等方面，综合评述了近年来国内外硬质合金刀具新技术的研究成果。关键词：硬质合金刀具；烧结技术；表面加工 中图分类号：TG135+.5 文献标识码：A 0引言 随着加工工业的发展，现代刀具材料向着高精度、高速切削、干式切削和降低成本等方向发展[1]。硬质合金以其优良的性能正在更多的场合替代其他的刀具材料。它是由难熔金属化合物和金属黏结剂经粉末冶金方法制成的工具材料。其硬度为HRA 89~94， 远高于高速钢，且具有化学稳定性好、耐热性高等优点。据文献[2]报道，发达国家90%以上的 车刀和55%以上的铣刀都采用硬质合金材料，而且比重仍在增加。另外， 硬质合金也用来制造钻头、端铣刀。作为加工硬齿面的中、大模数齿轮刀具和铰刀、立铣刀、拉刀等复杂刀具也日益增多。 1新型硬质合金刀具 现阶段国内外比较常用的硬质合金刀具采用的 是WC 基硬质合金， 近年来又出现了TiC （N ）基硬质合金、超细晶粒硬质合金、涂层硬质合金等刀具新品种[3]。 1.1 碳（氮）化钛基硬质合金刀具 这类硬质合金是以TiC （N ）为主要成分的TiC （N ）-Ni-Mo 合金（金属陶瓷）。它的硬度高（HRC 可达到94~95）、耐磨性好且高速切削钢料时磨损率低。此外，它的抗氧化性好、耐热性好（1000℃以上也可以加工）、化学性能稳定。可以用来制造高速精加工用的刀具材料，填补了WC 基硬质合金和陶瓷刀具材料的空白。钨资源在世界多数国家比较匮乏， 随着钨资源的短缺，研发少含或不含钨的刀具材料有重要的战略意义[4]。TiC （N ）基硬质合金已经有接近陶瓷材料的硬度和耐热性，而韧性又远远超过陶瓷材料。这种硬质合金用Ni 作为粘结剂，并加入Mo 或MoC 2。人们把TiC 基和TiCN 基硬质合金称为金属陶瓷[5]。 金属陶瓷刀具的不足之处主要是韧性不够高和切削刃抗塑性变形的能力不够强，因此不适用于粗加工，也不适于淬硬钢和冷硬铸铁等硬脆材料的加工。近年来， 为了增加金属陶瓷材料的韧性，很多学者进行了相关研究，并取得了一定的成效。以日本京瓷（Kyocera ）公司的产品为例，说明金属陶瓷刀具材料的新发展：发展和使用了TiCN-NbC 和TiC-TiN 基金属陶瓷，其性能进一步提高；发展了超细晶粒金属陶瓷，其平均晶粒为0.6μm ，抗弯强度达到2.5Gpa ； 发展了涂层金属陶瓷，采用PVD 涂层技术， 涂层用TiAlN 材料，性能高于无涂层者。1.2 超细晶粒硬质合金刀具 文献[6-7]的研究表明：当WC 晶粒度足够小 （≤0.5μm ），及达到超细晶粒尺度时，硬质合金的硬度和强度都可以得到较大的提升，达到高硬度和高强度的统一。超细晶粒硬质合金是一种高硬度、高强度和高耐磨性兼备的硬质合金，它的WC 粒度一般为0.1~0.2μm 以下，大部分在0.5μm 以下，是普通硬质合金WC 粒度的几分之一到几十分之一。具有
关于先进热障涂层的综述 摘要：在过去的几十年中，许多陶瓷材料都被作为新型的热障涂层材料，其中很大一部分都是氧化物。由于它独特的性能，这些新型化合物很难与最先进的热障涂层材料YSZ相媲美。另一方面，由于YSZ有一些缺点，尤其是在1200℃以上时它有限的高温性能使得在先进的燃气轮机中YSZ被其他材料所取代。 本篇文献是对不同新型涂层材料的综述，尤其是参杂氧化锆、烧绿石、钙钛矿和氯酸盐等材料。文献的结果还有由我们的研究调查得出的结果都将同我们的要求相比较。最终，我们将讨论双层结构这个概念。它是一种克服新型热障涂层材料冲击韧性的方法 关键词：热障涂层、氧化锆、烧绿石、钙钛矿、氯酸盐、热导率 一、简介 TBC系统是典型的双层式结构，它包括金属粘结层和陶瓷顶层。粘结层是保护基层氧化和腐蚀的并有改善陶瓷层和基层之间结合强度的作用。陶瓷顶层相比金属机体而言拥有很低的热传导率，通过内冷发陶瓷层可以实现一个很大的温差度（几百K）。因此，它既可以降低金属基体的温度以提高部件的使用寿命又可以提高涡轮发动机的点火温度来提高它的工作效率。 自19世纪50年代第一个军用发动机搪瓷涂层的制造起热障涂层开始了工业化发展。在19世纪60年代，第一个带有NiAl粘结层的火焰喷涂陶瓷涂层应用于商业航空发动机上。接下来的几十年中，热障涂层材料和喷涂技术持续的发展。19世纪80年代热障涂层迅猛发展。在这十年中，氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）被认为是一种特殊的陶瓷顶层材料，因为它作为一个近30年来的标准而被确立。 根据沉积工艺的不同，已经确立了两种不同的方法。一种是电子束物理气相沉积（EB-PVD），另一种是大气等离子喷涂（APS）。电子束物理气相沉积法制备的涂层拥有柱状显微结构并被广泛应用于航空发动机的高热机械载荷叶片中。同电子束物理气相沉积法相比，大气等离子喷涂以它的操作粗放度及经济可行性为傲，因此现在更多的TBC 采用这种方法。典型静态部件，像燃烧器罐和叶片平台都是用APS进行喷涂。在固定的燃气轮机中，其叶片也常使用热喷涂的方法进行喷涂。 燃气涡轮机效率的进一步提升有赖于燃烧及冷却技术的进步与更高的涡轮机入口温度相结合。这意味着由于在高温下烧结和相转变，标准材料YSZ必然会接近它的极限。 由EB-PVD和APS方法加工的YSZ包含亚稳态的T`相。长时间处于高温下，它能够
涂层刀具的应用现状及发展趋势 涂层技术是提升刀具性能的主要手段之一。通过涂层可以提高切削刀具抗各种磨损的能力，延长了刀具的寿命，提高了被加工零件的表面精度，也提高了切削速度和进给速度，从而提高金属切削效率。本期话题， 主要讨论刀具涂层技术的最新进展情况和发展前景。 涂层刀具的应用现状及发展趋势 涂层技术是提升刀具性能的主要手段之一。通过涂层提高了切削刀具抗各种磨损的能力，延长了刀具的寿命，提高了被加工零件的表面精度，也提高了切削速度和进给速度，从而提高了金属切削效率。今天，在切削刀具主流材料的硬质合金中，涂层硬质合金刀具占了80%，而其中CVD（化学涂层）又占了60％～ 65%，其余为PVD（物理涂层）。 在CVD涂层方面，包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3等各种化合物的多层复合涂层对改善涂层的综合性能，如结合强度、韧性、耐磨性和抗磨性及耐腐蚀性具有良好的效果。现在典型的VCDTiN（外层）+ Al2O3（中层）+TiCN（内层）多层式结构正在从涂层工艺上和涂膜的厚度上得到进一步改善。MTCVD （中温化学涂层）因有较低的工艺温度和较快的沉积速率使得涂层与基体分界面上的脆性η相最小化，同时减少了在高温CVD涂层中常见的由高温导致的拉伸裂纹，因此，MTCVD TiCN涂层已成为CVD多层涂层中的一个主要构成，这种MTVCD已用于α- Al2O3涂层，如ISCAR的α-IC9150、α-IC9250、α-IC9350和α-IC4100等，提升了涂层与基体的结合强度和抗后面磨损、前面磨损和抗粘附的能力。 在PVD涂层方面，也从单一的TiN或TiCN或TiAlN涂层发展到现在的复合涂层即硬涂层+软涂层。为适应更高切削速度和干式切削的要求，涂层刀具的红硬性成为近几年PVD技术的开发热点。TiAlN的改进涂层AlTiN提高了薄膜中Al的含量（Al含量大于50%），提升了涂层的红硬性、化学稳定性和抗氧化的性能，如ISCAR的Al-IC910（加工铸铁和钢）、Al-IC900、Al-IC930（加工钢、不锈钢、硬钢、铸铁、 高温合金等）。 现代刀具涂层发展的一个重要特征就是复合化，为了提高其综合性能，涂层材料复合、涂层层复合以及CVD 与PVD复合，如ISCAR的DT7150（K05-K25）通过MTCVD Al2O3和PVD TiAlN复合涂层，提高了材质的综合性能，用于高速加工灰铸铁和球墨铸铁。而多样化是刀具涂层发展的另一个趋势，有各种氮化物、氧化物涂层材料，还有TiB、SN涂层、金刚石涂层、立方氮化硼涂层等等。多样化的深层次原因是专业化，即针对不同的需求采用不同的涂层，并能对涂层的组分、百分比、结构及厚度在更大范围内加以控制和改变，以适应不同的被加工材料和不同的切削条件，从而显著地提高刀具的切削性能。如CrAlN涂层，以Cr 元素替代Ti元素，具有3200HV硬度和1100℃的氧化温度，与TiAlN相比韧性更好，更适合断续切削和难加工材料的加工；以Si元素代替Al元素的涂层可获得用于硬切削的TiSiN，也可获得有润滑性的CrSiN，更适合用于铝、不锈钢等粘附性强的材料加工。此外，涂层材料的细微化是现代刀具涂层发展的另一个令人关注的趋势，纳米复合涂层正在越来越多的地方得到应用。在未来，刀具涂层将是一个系统的概念，即刀具涂层必须根据不断变化的现代切削应用条件来进行系统的组合，这是一种与传统观念中的“在刀具上涂覆一层薄膜”截然不同且复杂得多的系统工程方法，这需要我们进行系统思考。 刀具涂层进展概况 现代切削面临着不断发展的高速、高效、高精加工要求和愈来愈多的高强度、高韧性、难切削等高能级材
* 表面织构刀具的研究现状与进展 Development and Perspective of Surface Textured Cutting Tool 山东大学机械工程学院 吴 泽 邓建新 连云崧 程宏伟 闫光远 国内外相关研究学者采用电火花、光刻、激光等加工技术在 硬质合金、高速钢等刀具上制备了尺寸从微米级到纳米级的多 种表面织构，研究了其切削加工钢、铝合金、钛合金等工件材料 的切削性能，结果表明表面织构刀具在改善刀 - 屑接触面摩擦 润滑状态、降低切削力和切削温度、延缓刀具磨损方面具有显著 的效果。 金属切削过程中，刀具与工件之 间的恶劣摩擦以及切削热的共同作 用将引起刀具磨损并降低工件加工 质量。尤其是在难加工材料的高速 切削加工过程中，切削环境更为恶 劣，刀具耐用度很低。因机械、热磨 损而引起的刀具快速失效早已成为 制约切削加工技术发展的一个重要 因素，为解决这一问题，国内外众多 从事切削刀具研究的学者不断寻求 开发新型刀具材料、 优化刀具结构、 研究刀具涂层技术以及先进切削润 滑冷却工艺。 近年来，摩擦学研究领域提出了 一种表面织构的概念 [1-3] 。表面织构 指利用特定的加工方法将平整的材 料表面加工为具有规则造型的非光 滑表面。表面织构在活塞缸套 [4-8] 、 滑动轴承 [9-12]、密封圈 [13-14] 、发动机汽 缸 [15]、导轨 [16-17] 等机械零部件上的 应用研究表明，它具有改善表面润滑 状态和抗摩减磨的作用。当前，国内 外已有少数学者进行了表面织构在 切削刀具上应用的研究，研究虽处于 起步阶段，但其研究结果均证明了表 面织构具有提高刀具切削性能的功 吴 泽 博士研究生，主要从事微织构刀具 及刀具材料摩擦磨损性能的研究。 * 国家自然科学基金项目（51075237）、山东 省自然科学基金重点项目（Z R2010E Z002）、 教育部高等学校博士学科点专项科研基金 资助项目（20110131130002）和山东大学 自主创新基金项目（2011JC001）资助。 32 航空制造技术·2012 年第 10 期
硬质合金刀具材料的研究现状与发展思路 作者：佚名来源：不详发布时间：2008-11-21 23:35:38 发布人：admin 减小字体增大字体 材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起着关键性作用。国际生产工程学会(CIRP)在一项研究报告中指出：“由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔10年几乎提高一倍”。刀具材料已从20世纪初的高速钢、硬质合金发展到现在的高性能陶瓷、超硬材料等，耐热温度已由500～600℃提高到1200℃以上，允许切削速度已超过1000m/min，使切削加工生产率在不到100 年时间内提高了100多倍。因此可以说，刀具材料的发展历程实际上反映了切削加工技术的发展史。 常规刀具材料的基本性能 1) 高速钢 1898 年由美国机械工程师泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程师怀特(M.White)发明的高速钢 至今仍是一种常用刀具材料。高速钢是一种加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，其含碳量为0.7%～1.05%。高速钢具有较高耐热性，其切削温度可达600℃，与碳素工具钢及合金工具钢相比，其切削速度可成倍提高。高速钢具有良好的韧性和成形性，可用于制造几乎所有品种的刀具，如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铣刀等。但是，高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷，已难以满足现代切削加工对刀具材料越来越高的要求；此外，高速钢材料中的一些主要元素(如钨)的储藏资源在世界范围内日渐枯竭，据估计其储量只够再开采使用40～60年，因此高速钢材料面临严峻的发展危机。 2) 陶瓷 与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10～20倍，其红硬性比硬质合金高2～6倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。陶瓷材料的缺点是脆性大、横向断裂强度低、承受冲击载荷能力差，这也是近几十年来人们不断对其进行改进的重点。 陶瓷刀具材料可分为三大类：①氧化铝基陶瓷。通常是在Al2O3基体材料中加入TiC、WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分，经热压制成复合陶瓷刀具，其硬度可达93～95HRC，为提高韧性，常添加少量Co、Ni等金属。②氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷为Si3N4+TiC+Co复合陶瓷，其韧性高于氧化铝基陶瓷，硬度则与之相当。③氮化硅—氧化铝复合陶瓷。又称为赛阿龙(Sialon)陶瓷，其化学成分为77%Si3N4+13%Al2O3，硬度可达1800HV，抗弯强度可达1.20GPa，最适合切削高温合金和铸铁。 3) 金属陶瓷 金属陶瓷与由WC构成的硬质合金不同，主要由陶瓷颗粒、TiC和TiN、粘结剂Ni、Co、M o等构成。金属陶瓷的硬度和红硬性高于硬质合金，低于陶瓷材料；其横向断裂强度大于
刀具涂层材料的分类及研究进展
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刀具涂层材料的分类及研究进展 摘要:采用涂层技术可有效提高切削刀具的使用寿命,使刀具获得优良的综合机械性能,从而大幅度提高机 械加工效率。我国的刀具涂层材料经过多年发展，目前正处于关键时期,充分了解国内外刀具涂层材料的现状及发展趋势,有计划、按步骤地发展刀具涂层材料，对提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。 关键词:涂层刀具硬度膜 Ｐｒogreｓｓin thｅcoａting materials foｒtoolｓaｎdｔh ｅiｒclassification Abstract：Cｏａting ｔecｈｎolｏgy caｎbｅused to improve tｈe ｓeｒｖｉce ｌife of ｃuttinｇ tools effectivｅｌy aｎd enabｌe the cutting tools ｔo obtain ｅxcｅllent aｎd compｒeｈｅnｓiｖe mechａnical properties that will iｍprov ｅ machinｉｎg ｅfｆiｃiｅncy signｉficanｔly . Ａfｔer yearｓ of deｖelopｍeｎt current coating maｔerｉaｌｓ for ｃuttｉnｇ tools iｓ at a ｃruｃiａl period in China, full ｕndersｔandinｇ on pｒesent stａtuｓ and deｖelｏｐmeｎt ｔrend of tｏoｌcｏatｉng mateｒialｓ both ａｔ homｅａnｄ abroad , and a pla ｎnｅd stｅｐ-by-stｅｐ deｖelopmeｎt ｏｆ tｈｅｃoａting maｔeｒials for cu ｔting tools wiｌl be of far rｅａching ｉmportaｎcｅ fｏｒｉmｐrovemｅｎt of our lｅveｌ in cutting tｏoｌ maｎufacturing. Ｋey Words:Coａｔing ，Cutting Tool ，Harｄness , Fｉｌｍ 数控技术的发展离不开高寿命的切削工具——刀具。自刀具涂层技术从问世以来，刀具的性能得到了很大的改善,对加工技术的进步起着非常重要的作用。涂层刀具已经成为现代刀具的标志，西方国家新型数控机床所用切削刀具中有８0％左右使用涂层刀具，而且随着21 世纪科技的发展，涂层刀具的比例将进一步增加。目前在制造业所用硬质合金刀具上采用较多的涂层有ＴiN、TiC、TｉCN、TiAｌN 以及新出现的AｌＣrN、TiＳiN 涂层等等,刀具寿命明显提高。另外涂层在钻头、铰刀、齿轮滚刀、丝锥上也都获得很好的应用效果。随着科技的发展,刀具涂层技术将不断提高,刀具涂层材料也日新月异。
Vol .36 No .2 Apr .2007 SURFACE TECHN OLO GY 61 稀土氧化物陶瓷材料在热障涂层上的应用现状 刘保福1 ,詹肇麟1 ,翟志清 2 (1.昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650093;2.中国石油化工股份有限公司洛阳分公司,河南洛阳471012) [摘 要] 航空发动机技术的发展,要求热障涂层用陶瓷材料应具有更低的热导率和更高的相稳定性能。由于稀土氧化物陶瓷材料在热障涂层上的广泛应用,综述了稀土氧化物涂层、镧铝氧化物及稀土氧化物(一元、二元、多元)稳定Zr O 2等热障涂层材料的研究现状。结果指出进一步的研究应集中于3个方面:1)采用合适的方法提高稀土氧化物的高温相稳定性;2)改进镧铝氧化物的热物理性能;3)采用合适的氧化物对Zr O 2基热障涂层材料进行掺杂,以进一步改善其热物理性能等。 [关键词] 氧化物;热障涂层;热物理性能;掺杂;陶瓷[中图分类号]TG174.453 [文献标识码]A [文章编号]1001-3660(2007)02-0061-04 Appli ca ti on St a tus of Rare Earth O x i des Ceram i c M a ter i a ls on Therma l Barr i er Coa ti n gs L I U B ao 2fu 1 ,ZHAN Zhao 2lin 1 ,ZHA I Zh i 2qing 2 (1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kun m ing University of Science and Technol ogy, Kun m ing 650093,China;2.SI N OPEC Luoyang Company,Luoyang 471012,China ) [Abstract] W ith the devel opment of aer o turbine engines technol ogy,it requires that cera m ics f or ther mal barrier coatings have l ower ther mal conductivity and higher phase stability .Because of the extending use of oxides cera m ic mate 2rials on ther mal barrier coatings,the research status of oxides cera m ics materials such as rare 2earth oxides coatings,lan 2thanu m 2alum inum oxides and Zr O 2doped with oxides (one type,t w o types and multitype )were summarized .It is point 2ed that future research should ai m at the f oll owing as pectswhich include enhancing the phase stability at high te mperature of rare earth oxides by app r op riate methods,i m p r oving ther mo 2physical p r operties of lanthanu m 2alum inum oxides and do 2p ing the Zr O 22based cera m ic materials for ther mal barrier coatings with app r op riate oxides in order t o i m p r ove the ther mo 2physical p r operties . [Key words] Oxides;Ther mal barrier coatings;Ther mo 2physical p r operties;Dop ing;Cera m ic [收稿日期]2006-11-09 [作者简介]刘保福(1977-),男,河南睢县人,硕士,主要从事热喷涂技 术的研究。 0 引 言 热障涂层由于其优异的隔热性能而广泛用于保护航空发动机高温部件,至今已有20多年的历史 [1] 。选择的热障涂层陶瓷 材料应具备以下基本功能[2]:1)熔点高;2)在室温与工作温度之间的温度范围内没有相变;3)热导率低;4)化学稳定性高;5)热膨胀系数与金属基体接近;6)与金属基体具有良好的结合力;7)烧结收缩率低,其中以热膨胀系数、热导率和高温稳定性最为重要。 近年来,随着航空发动机向高推重比、高流量比、高涡轮进口温度的方向发展,发动机高温部件必须承受更高的温度,从而对热障涂层陶瓷材料提出了新的要求 [3] 。传统的YSZ 陶瓷已 很难满足发展要求,必须寻求新的陶瓷材料。稀土氧化物由于其优良的热物理性能,在热障涂层用材料中占有重要的地位。 在这种背景下,本文综述了氧化物热障陶瓷材料的应用现状,并 指出了其未来的发展方向。 1 稀土氧化物涂层 由于稀土元素一般具有较高的熔点,早在1991年就有学者研究用稀土氧化物的混合物来制备热障涂层,稀土氧化物涂层的主要相组成一般是La 2O 3、Ce O 2、Pr 2O 3和Nb 2O 5。与Zr O 2相比,稀土氧化物涂层具有较低的热扩散系数和较高的热膨胀系数,因此有潜力用作热障涂层材料,但缺乏该类材料用于热障涂层的可行性的进一步报道[2]。在1000℃以上,Ce O 2的热导率低于YSZ 的热导率,并且Ce O 2的热膨胀系数明显高于YSZ 并且接近镍基高温合金,而且Ce O 2具有比YSZ 优良的抗化学腐蚀能力,J W ilden 等研究表明,在YSZ 陶瓷涂层上喷涂一层 CeO 2可以提高整个涂层系统的耐热温度,改善长期使用过程中 的热稳定性和化学相容性[4]。J Singh 等人研究表明,Hf O 2227% Y 2O 3热障涂层的热导率只有1.1W /(m ?K ),比8YSZ 具有更低 的传导增加率和更好的抗烧结性能[5],7.5%Y 2O 32Hf O 2