近年来，随着现代精密加工与制造业技术的快速发展，一些难加工材料如淬硬模具钢和高强度钢等，正越来越多地被用于制造轴承和齿轮等发动机零部件及精密模具等关键承载零部件。涂层刀具将刀具基体与表面涂层相结合，既拥有刀具基体本身良好的韧性和强度，同时保持了表面涂层的高硬度、高耐磨及低摩擦系数等优点。此外，表面涂层作为化学屏障和热屏障，减少刀具与工件间的扩散和化学反应，使涂层刀具的切削寿命和切削效率都得到了极大的提高。
近期，惠州学院广东省电子功能材料与器件重点实验室的梅海娟博士采用电弧离子镀（AIP）与磁控溅射（MS）复合技术，通过电弧层/溅射层交替沉积制备了纳米多层AlTiN/Cu涂层。引入软金属Cu后，涂层结构逐渐由致密的柱状晶结构转变为无特征结构和细晶结构。当Cu含量较低时，涂层呈现c-TiAlN固溶相结构，具有高的硬度和优异的韧性。当Cu含量增加至18.4 at.%时，Cu以结晶相的形式存在，且由于反复形核抑制氮化物相的结晶，呈现细晶结构。相关成果以“Microstructure and mechanical properties of nanomultilayered AlTiN/Cu coatings prepared by a hybrid system of AIP and PDCMS”为题发表在国际学术期刊《Ceramics International》上（https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.08.332）。
图1多层涂层沉积示意图与涂层截面TEM图
在前期研究基础上，梅海娟博士研究了纳米多层AlTiN/Cu涂层在高温下的氧化行为与摩擦学性能。在800°C时，由于良好的高温抗氧化性，AlTiN涂层表现出优异的高温耐磨性，但摩擦系数却高达~ 1.2。添加软金属Cu后，多层涂层AlTiN/Cu的高温抗氧化性急剧降低，呈现出明显的氧化分层，在顶层形成TiO2、Al2O3及CuO的混合氧化物，有效降低摩擦系数。当Cu含量增加至18.4 at.%时，由于软金属Cu的外扩散与氧化，形成双层氧化物，即内层富含TiO2和Al2O3混合氧化物及表层薄而致密的CuO膜，导致摩擦系数进一步降低至~ 0.5。相关成果以“Effect of Cu addition on the tribological properties and oxidation behavior of nanomultilayered AlTiN/Cu coatings”为题发表在国际学术期刊《Journal of Materials Research and Technology》上（https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.12.037）。
图2纳米多层AlTiN/Cu涂层在800°C时的氧化扩散与摩擦学性能
上述研究为高温自润滑涂层的多层结构设计和摩擦氧化机理等提供了重要见解，对于提高自润滑涂层在高温下的润滑性与耐磨性具有重要的意义。本工作得到了广东省区域联合基金青年基金项目、惠州学院杰出青年培育项目等项目的资助。
撰稿：电子信息与电气工程学院
初审：林宏翔
终审：龙达峰