相信大家一定听过寓言故事《皇帝的新装》吧？故事中人们为国王定制的“神奇”外衣材质特殊、色彩美丽、花纹巧妙、款式新潮，最重要的是只有一部分“特殊的人”才能看到这一切。抛开故事本身，按照该寓言故事的描述，本君觉得这件外衣还是相当不错的，前提是如果它存在的话~
图1 寓言故事中皇帝的新装
在航空发动机制造领域，有这么一项技术，它可以制造出一件神奇的“外衣”，穿上了它，切削刀具在加工过程中毫不费力，使得加工效率能够明显提升，就像穿上一身铠甲，刀枪不入，锋利无比，所向披靡。那么这项技术究竟是什么呢？本君也就不再卖关子了，它就是刀具涂层技术。
现代航空发动机制造领域，以镍基高温合金材料、钛合金材料加工为主，也有部分粉末冶金材料，这些材料的零部件在加工过程中必然要应用到切削刀具，那么如何提高材料加工效率，减少刀具成本消耗是大家一直追求的目标，刀具涂层技术就是其中一项重要技术。
图2 涂层刀具在航空发动机零部件上的应用
刀具涂层技术的基本原理是通过化学或物理的方法在刀具表面形成某种薄膜，使切削刀具获得优良的综合切削性能，从而满足高速切削加工的要求就是对刀具进行涂层处理，这就像给刀具穿上了一件漂亮而结实的“防护外衣”一样，是提高刀具性能的重要途径之一。
图3 硬质涂层刀具
自20世纪70年代初硬质涂层刀具问世以来，化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术相继得到发展，为刀具性能的提高开创了历史的新篇章。化学气相沉积（Chemical Vapour Deposition，简称CVD）涂层刀具、物理气相沉积（Physical Vapour Depositon，简称PVD）涂层刀具及混合工艺及组合技术。CVD涂层原理如图4a所示，PVD涂层原理如图4b所示。混合工艺是等离子辅助CVD技术与传统的PVD技术进行有效的结合。比如先沉积传统的CrN硬质涂层，再在最上面沉积一层用于减少摩擦的DLC涂层。组合技术是涂层前对工具或零部件的表面层进行氮化，可以提高涂层的功效。
图4 涂层原理图
图5 刀具涂层组织
CVD可以涂覆耐磨损性优异的TiCN、耐热性非常优异的Al2O3厚膜，因此在产生高温的高速、高效率切削加工中能显示出长寿命，CVD涂层如图6a所示。
PVD一般用在与无涂层硬质合金、高速钢相同或较高速的切削速度条件下，以延长刀具寿命为目标。对基体制约少、损伤小，因此特别适合用于要求耐磨损性、耐崩刃性的刀具，也适用于要求锋利刃口的低进给加工与精加工或螺纹加工工具等，PVD涂层如图6b所示。
图6 涂层切削性能对比
根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具以及在陶瓷和超硬材料（金刚石和立方氮化硼）上的涂层刀具等。涂层硬质合金刀具一般采用化学气相沉积法，沉积温度在1 000℃左右。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法，沉积温度在500℃左右。金刚石涂层采用CVD（化学蒸镀法）在硬质合金基体上合成。
图7 硬质涂层刀具
涂层刀具与未涂层刀具相比，具有显着的优越性：它可大幅度提高切削刀具寿命；有效地提高切削加工效率；提高加工精度并明显提高被加工工件的表面质量；有效地减少刀具材料的消耗，降低加工成本；减少冷却液的使用，降低成本，利于环境保护。
常用的涂层
氮化钛涂层
氮化钛（TiN）是一种通用型PVD涂层，可以提高刀具硬度并具有较高的氧化温度。该涂层用于高速钢切削刀具或成形工具可获得很不错的加工效果。
氮化铬涂层
CrN涂层良好的抗粘结性使其在容易产生积屑瘤的加工中成为首选涂层。涂覆了这种几乎无形的涂层后，高速钢刀具或硬质合金刀具和成形工具的加工性能将会大大改善。
金刚石涂层CVD
金刚石涂层可为非铁金属材料加工刀具提供最佳性能，是加工石墨、金属基复合材料(MMC)、高硅铝合金及许多其它高磨蚀材料的理想涂层(注意：纯金刚石涂层刀具不能用于加工钢件，因为加工钢件时会产生大量切削热，并导致发生化学反应，使涂层与刀具之间的粘附层遭到破坏。
氮碳化钛涂层
氮碳化钛（TiCN）涂层中添加的碳元素可提高刀具硬度并获得更好的表面润滑性，是高速钢刀具的理想涂层。
氮铝钛或氮钛铝涂层(TiAlN/AlTiN)
TiAlN/AlTiN涂层中形成的氧化铝层可以有效提高刀具的高温加工寿命。主要用于干式或半干式切削加工的硬质合金刀具可选用该涂层。根据涂层中所含铝和钛的比例不同，AlTiN涂层可提供比TiAlN涂层更高的表面硬度，因此它是高速加工领域又一个可行的涂层选择。
图8 硬质涂层刀具
正确的为刀具选用一件漂亮而结实的“外衣”是合理使用涂层刀具和充分发挥涂层功能的重要前提。随着刀具涂层技术的不断发展，其优越性也必将得到最大的发挥和展现，相信未来这件漂亮而耐用的“外衣”必将更加光彩夺目，在航空制造业中发挥出更大的能量。
（注：文中图片均来源于网络）
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作者 | 梁永朝
责编 | 吴庭阳
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