钨金属夹层增强TiB2薄膜韧性与抗氧化性能的机制研究

针对TiB2薄膜脆性大、抗氧化性差的问题，研究人员通过直流磁控溅射（dcMS）技术制备TiB2/W纳米多层膜，发现W夹层可抑制B偏析、提升界面结合力，使薄膜韧性提高27%-40%，抗氧化性提升57%，为切削工具涂层性能优化提供新策略。

　　

钛合金等难加工材料的高效切削需求推动了硬质涂层的发展，其中二硼化钛（TiB₂）因其高硬度和低化学亲和性成为理想候选。然而，其固有脆性、易氧化（450°C即失稳）及B₂O₃蒸发导致的氧化加速问题，严重制约工业应用。更棘手的是，过量的硼（B）会形成硬而脆的富B相，虽能提高硬度但恶化韧性，这种"硬度-韧性"矛盾成为技术瓶颈。

广东工业大学的研究团队创新性地采用交替直流磁控溅射（dcMS）技术，在纯氩气氛中沉积TiB₂/W纳米多层膜。通过调控W夹层厚度（0.3-4.9 nm），系统研究了界面原子扩散对力学性能和500°C氧化行为的影响。研究发现，1.3 nm厚W夹层的薄膜硬度达33.0±0.9 GPa（单层TiB₂为34.9±1.2 GPa），而3.2 nm W夹层使划痕韧性提升27%、压痕韧性提高40%、结合强度增强57%。更值得注意的是，W夹层厚度>4.9 nm时，表面形成的WO₃颗粒能有效阻隔氧与B反应，显著延缓氧化动力学。该成果发表于《Surface and Coatings Technology》。

关键技术包括：直流磁控溅射（dcMS）交替沉积TiB₂和W层；采用YG6硬质合金基体（15×15×5 mm³）；通过掠入射X射线衍射（GIXRD）分析相结构；纳米压痕法测试力学性能；500°C氧化实验评估抗氧化性。

【相结构】GIXRD显示W夹层破坏TiB₂柱状生长，形成纳米晶结构。1.3 nm W夹层样品保持TiB₂（101）择优取向，而W层增厚至4.9 nm时出现α-W（110）衍射峰。

【力学性能】W夹层通过界面扩散抑制富B相偏析，3.2 nm W夹层使韧性显著提升。界面混合效应优化了TiB_x化学计量比，缓解了硬度-韧性的倒置关系。

【抗氧化机制】500°C氧化后，表面形成WO₃富集层，其厚度依赖性表明：当W夹层>4.9 nm时，WO₃颗粒成为氧扩散屏障，阻止B₂O₃挥发导致的氧化加速。

该研究通过金属夹层设计实现了TiB₂薄膜"强韧协同"，其创新点在于：首次阐明W夹层对TiB₂界面化学计量比的调控作用；发现WO₃表面层对氧化动力学的阻断效应。这不仅为切削工具涂层开发提供新思路，其"纳米多层界面工程"策略也可推广至其他过渡金属硼化物（TMB）体系。Zichang Pan等作者指出，该方法有望解决钛合金加工中涂层易剥落的技术难题，提升刀具在高温工况下的服役可靠性。