分级TiAlN/CrN涂层——硬度37.71 GPa&附着力81.85 N

点睛：

采用HiPIMS在WC-Co上沉积具有界面嵌套结构的分级TiAlN/CrN涂层：亚微米TiAlN/CrN交替层作为宏观骨架，约0.3 μm，界面处嵌套约5 nmTiAlN/CrN超晶格过渡层。涂层硬度达37.71 GPa，附着力81.85 N（比TiAlN单层提高56.3%），磨损率低至2.81×10⁻⁶ mm³/(N·m)。

引言：

WC-Co硬质合金刀具在重载滑动和冲击载荷下易发生黏着磨损和脆性剥落。单层TiAlN因本征脆性和与基体的热/机械失配，易在高接触应力下剥落。传统等周期多层涂层面临“尺度选择”困境：超细纳米层（≤10 nm）易贯穿脆断，亚微米周期（160-300 nm）则易因压应力导致层间剥离。本文提出一种新型分级周期策略——以亚微米TiAlN/CrN交替层为宏观骨架缓解内应力，并在其界面处嵌套纳米级TiAlN/CrN交替过渡层触发Koehler强化，实现“骨架支撑-界面止裂”协同机制。

解析：

武汉理工大学材料合成与加工技术国家重点实验室的魏等采用HiPIMS技术，以“Hierarchical TiAlN/CrN coatings deposited on WC-Co with interfacial nesting structure for enhanced adhesion and wear resistance”为题发表在《Surface & Coatings Technology》上，其工艺参数如下

1）基体：WC-15wt.%Co硬质合金，无水乙醇超声清洗，Ar⁺离子刻蚀；2）靶材：Ti₄Al₆靶和Cr靶；3）工作气体：Ar，N₂，气压0.55 Pa；4）电源参数：TiAlN层功率4 kW，频率1000 Hz，脉宽100 μs；Cr层功率4 kW，频率1000 Hz，脉宽50 μs；基片偏压-130 V；5）沉积温度：350 ℃；6）靶基距：15 cm；7）涂层结构：8层亚微米TiAlN/CrN（每层沉积0.5 h，厚约0.3 μm），7层界面过渡层（交替沉积15 min，厚约100 nm），过渡层内含约5 nm TiAlN/CrN交替子层；总沉积时间4 h；对比样：TiAlN单层；8）沉积速率：TiAlN约0.68 μm/h，CrN约0.55 μm/h。

图1 H-TiAlN/CrN涂层的结构（HAADF-STEM和HRTEM）

图1a-b的HAADF-STEM和明场TEM图像清晰展示了分级周期结构：约0.3 μm的亚微米TiAlN和CrN交替层形成宏观骨架，界面处约100 nm的过渡层严格限制在层间区域，而非均匀分布于整个涂层。图1c的高分辨TEM显示，过渡层内嵌套的约5 nmTiAlN和CrN子层呈共格外延生长，晶格条纹连续，界面锐利，对应的FFT斑点证实了良好的相干性。这种“界面嵌套”结构是本文的核心创新——常规多层涂层中纳米层均匀分布，本文将其限制在界面区域，既避免了全局纳米层的高内应力，又可在关键位置触发Koehler强化（利用TiAlN和CrN的模量差异）。

图2 CrN/基体界面结构

图2a显示CrN层与WC-Co基体的界面形貌。图2b的高分辨TEM显示，在CrN/Co界面处存在约2.3 nm厚的原子无序过渡层，这是由Co相的低层错能和HiPIMS离子轰击共同导致的晶格畸变，可作为“应力缓冲垫”耗散残余应力，避免裂纹萌生。图2c-d显示CrN/WC界面处清晰的晶格条纹匹配，具有特定取向关系(11-1-11)CrN∥(011-10)WC，形成强机械锚定。无序过渡层厚2.3 nm。这种“柔性缓冲层+刚性共格键合”的双重结合机制是涂层附着力高达81.85 N的结构基础。

图3 力学性能对比

图3a显示分级涂层H-TiAlN/CrN的纳米压痕加载-卸载曲线，大压入深度明显小于TiAlN单层，弹性恢复更大，说明抗塑性变形能力更强。图3b：分级涂层硬度37.71 GPa，弹性模量390.61 GPa；TiAlN单层仅25.19 GPa和347.85 GPa，硬度提升49.7%。图3c：分级涂层的H/E和H³/E²均显著高于单层。图3d与文献报道的TiAlN基多层涂层对比，本工作的H³/E²（0.354 GPa）和硬度均处于领先地位。亚微米骨架提供承载能力；嵌套超晶格通过Koehler强化和高密度界面阻挡位错；晶粒细化和HiPIMS诱导的有益压应力共同贡献超高硬度。

图4a-b划痕测试显示：TiAlN单层在52.42 N时发生严重脆性剥落；分级涂层的临界载荷Lc₂高达81.85 N，且剥落轻微。表1显示：分级涂层平均摩擦系数0.545，远低于单层（0.819）和基体（0.867）；磨损率仅2.81×10⁻⁶ mm³/(N·m)，比单层（7.74×10⁻⁶）降低63.7%。分级结构通过界面裂纹偏转和亚微米骨架承载，避免脆性剥落；摩擦过程中形成富氧保护层，稳定摩擦系数。

结论与延伸：

1. 构建了亚微米TiAlN/CrN骨架约0.3 μm+界面约100 nm过渡层（内含约5 nm交替子层）的分级周期涂层，实现“骨架承载-界面止裂”跨尺度协同强化。

2. 硬度37.71 GPa（比单层提高49.7%），附着力81.85 N（提高56.3%）。强化归因于：骨架缓解内应力；嵌套超晶格Koehler强化；晶粒细化；HiPIMS诱导的有益压应力。

3. 磨损率2.81×10⁻⁶ mm³/(N·m)，比单层降低63.7%。磨损机制从脆性剥落转变为轻度磨粒/氧化磨损，归功于分级结构对裂纹的偏转和止裂以及富氧保护层的形成。

DOI:10.1016/j.surfcoat.2026.133509.