论文标题：Characteristics and Wear Mechanisms of TiAlN-Based Coatings for Machining Applications: A Comprehensive Review（TiAlN基涂层的特性和磨损机制在机械加工上的应用：综合评述）

期刊：Metals

作者：Vitor F.C.Sousa et al.

发表时间：4 February 2021

DOI：10.3390/met11020260

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期刊链接：

https://www.mdpi.com/journal/Metals

原文作者介绍

Francisco Silva 副教授

自2014年11月起担任葡萄牙波尔图理工学院工程学院 (ISEP) 副教授，是ISEP的技术和科学理事会成员 (2020-2022)、教学理事会成员 (2020-2022)。已发表150余篇科学论文，并合著出版了三本书籍，分别是Tecnologia da Soldadura-Uma Abordagem Técnico-Didáctica (2016)、Lean Manufacturing -Implementation, Opportunities and Challenges (2019) 和Cleaner Production - Toward a better future (2020)。曾经指导过120余篇理学硕士学位论文及两篇博士论文。在MDPI Coatings 期刊发表的一篇论文获得了最佳论文奖 (MDPI, 2019)，此外，他还主持管理了十余期MDPI科技期刊的特刊，并获得Metals 最佳审稿人奖 (2019年)。

引言

机械加工过程为各种工业部门生产高精度和高质量零件，因而是一个备受欢迎的研究课题。工艺改进是相关研究重点之一，其中一项工艺改进是在各种机械加工操作中创建和实施工具涂层。这些涂层提高了工艺生产率和刀具寿命，其正在被开发用于各种机械加工应用。由于具有高加工速度下的惊人磨损行为、高机械性能以及高加工温度下的高热稳定性和高耐腐蚀性，TiAlN涂层在当今工业应用中仍非常普遍。本文作者对TiAlN基涂层的使用进行了全面的文献回顾，以结构化和有组织的方式收集、展示了这些涂层最新发展的相关信息。

涂层表征与评价

本文讨论了新型涂层，展示了从各种来源收集的平均涂层及其性能，并探讨了在不同合金的车削和铣削中检测到这些涂层的常见磨损机制 (包括钢、钛和镍基合金)。这些磨损机理的分析为机械加工工艺的改进和优化提供了极有价值的信息。当用特定的涂层刀具加工某些类型的合金时，可以通过识别刀具磨损的常见趋势进行表征评价。这些评估通常使用扫描电子显微镜 (SEM) 分析进行。如图1所示，可观察到TiAlN涂层铣刀用于加工Inconel合金时的磨损情况。

图1. 用于加工Inconel合金的TiAlN涂层立铣刀前刀面SEM图像，显示出粘合剂和磨料磨损 (放大500倍)。

关于TiAlN基涂层的研究趋势，主要集中于在TiAlN基涂层中掺杂一些元素，如钌 (Ru)、钼(Mo) 和钽 (Ta)，因为它们在力学性能和磨损性能改善方面具有巨大的潜力。此外，这些元素的添加也会影响涂层结构，从而改善涂层的性能。在图2中可以观察到三种不同Ru含量掺杂的TiAlN涂层。研究结果表明，随着钌含量的增加，涂层的结构更加均匀。此外，本文对所有这些涂层进行了机械性能评估，当Ru含量为7%时，TiAlN基涂层表现出最好的机械性能。

图2. 不同Ru含量的TiAlN涂层SEM截面图：(a) 0%、(b) 7%、(c) 15%。

掺杂元素的研究在改善刀具涂层性能方面具有巨大潜力，因此研究人员非常热衷于此类研究。本文对最新流行的掺杂元素进行了评估，介绍了这些涂层常见的评估机械性能的指标 (与涂层的磨损行为有关)，例如：硬度、韧性、H/E比值 (粘性) 和摩擦系数。这些数值也将用于新型纳米复合材料和纳米TiAlN基涂层研究。

基于TiAlN涂层研究的另一个流行趋势是，创建新的纳米层和纳米复合工具涂层，因为较薄的涂层能显著改善机械加工的应用性能。这些涂层已经在各种机械加工工艺中得到了证明，它们提高了机械性能，改善了涂层的结构和性能，尤其是磨损性能。关于涂层的磨损机制，经过研究发现，铣削过程中主要的磨损机制是粘附和磨损，然而，纳米涂层的使用可以改善涂层所遭受的粘附损伤。车削过程中所使用的涂层，通常会出现磨粒磨损和磨耗，有些涂层还会出现粘着磨损。在铣削方面，纳米层和纳米复合涂层的使用，提高了涂层刀具的切削性能和刀具寿命，这些类型的涂层优于常规的单层TiAlN基涂层。

特刊推荐

Francisco Silva副教授在Metals 期刊已创建特刊特刊“Machining: State-of-the-Art 2021”，欢迎相关学者阅读投稿！

特刊投稿截止日期：2022年4月30日

特刊详情页面：

https://www.mdpi.com/journal/metals/special_issues/machining2021

Metals 期刊介绍

主编：Hugo F. Lopez, University of Wisconsin-Milwaukee, USA

期刊发表涵盖金属材料和冶金工程领域研究以及科技发展研究领域在内的学术文章。目前已被Science Citation Index Expanded、Scopus、Directory of Open Access Journals (DOAJ) 以及Inspec等数据库收录。

2020 Impact Factor：2.351

2020 CiteScore：3.4

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Time to Publication：34 Days