基體表面織構(gòu)化TiAlN涂層刀具的制備與應(yīng)用的基礎(chǔ)研究.pdf

1、本文將涂層技術(shù)與微織構(gòu)技術(shù)相結(jié)合，提出了基體表面織構(gòu)化TiAlN涂層刀具的新概念。通過基體表面織構(gòu)化，可改變基體表面微觀結(jié)構(gòu)，有效增加基體表面的比表面積，為涂層的涂覆提供良好的附著表面;另外，基體表面織構(gòu)化能夠改變刀-屑界面的接觸特征，最終導(dǎo)致涂層刀具在切削過程中的摩擦狀態(tài)發(fā)生顯著改善。通過研究TiAlN涂層刀具基體材料表面微納織構(gòu)的制備工藝，結(jié)合物理氣相沉積方法，成功制備出基體表面織構(gòu)化TiAlN涂層刀具，系統(tǒng)研究了基體表面織構(gòu)化Ti

2、AlN涂層刀具微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、摩擦磨損性能以及切削性能等，并深入分析探討了該涂層刀具減摩作用機理。
　　基于TiAlN涂層刀具失效機理對刀具性能的要求，提出了基體表面織構(gòu)化TiAlN涂層刀具的新概念，并分析TiAlN涂層材料與基體材料的化學(xué)、物理相容性，確定了WC/Co硬質(zhì)合金作為TiAlN涂層刀具的基體材料。利用激光微加工技術(shù)進行了WC/Co基體表面微納織構(gòu)的制備，分別分析了納秒和飛秒激光加工參數(shù)對所加工微織構(gòu)和納織構(gòu)表面質(zhì)

3、量的影響及作用規(guī)律，得到了最佳的微納織構(gòu)加工工藝參數(shù)。納秒激光最佳加工參數(shù)為:泵浦電壓8V，掃描速度15 mm/s，重復(fù)頻率7kHz，掃描2遍，所加工的微織構(gòu)幾何尺寸為:寬度50μm，深度48.9μm;飛秒激光最佳加工參數(shù)為:單脈沖能量2.5μJ，掃描速度500μm/s，掃描間距5μm，所加工的納織構(gòu)幾何尺寸為:周期550 nm，槽深150 nm。由上述最佳微納織構(gòu)激光加工工藝參數(shù)在TiAlN涂層刀具基體表面制備出微織構(gòu)、納織構(gòu)以及微納

4、復(fù)合織構(gòu)。
　　利用真空陰極電弧離子鍍技術(shù)在織構(gòu)化的基體表面進行TiAlN涂層的涂覆，制備出了三種基體表面織構(gòu)化TiAlN涂層刀具，即:基體表面微織構(gòu)化TiAlN涂層刀具(MCT);基體表面納織構(gòu)化TiAlN涂層刀具(NCT);基體表面微納復(fù)合織構(gòu)化TiAlN涂層刀具(MNCT)。系統(tǒng)研究了基體表面織構(gòu)化TiAlN涂層的微觀結(jié)構(gòu)及物理機械性能，并與基體表面無織構(gòu)的TiAlN涂層(CCT)對比，結(jié)果表明:基體表面織構(gòu)化導(dǎo)致TiAlN

5、涂層基體表面粗糙化、TiAlN涂層系統(tǒng)H/E值的增加，并且可在基體表面形成與TiAlN相位置相近的新物相WC1-X。另外，基體表面織構(gòu)化可顯著提高TiAlN涂層與基體界面間結(jié)合強度，這主要是由于基體表面織構(gòu)化處理能夠改變基體表面微觀結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，有效提高基體表面的比表面積，為涂層的涂覆提供良好的附著表面。
　　通過與AISI316不銹鋼進行球-盤接觸式摩擦磨損試驗系統(tǒng)研究了基體表面織構(gòu)化TiAlN涂層的摩擦磨損性能。結(jié)果表明:與

6、CCT試樣相比，NCT試樣的磨損壽命顯著增加，這主要是由于NCT試樣更高的膜-基結(jié)合強度;MoS2固體潤滑劑可有效降低TiAlN涂層表面摩擦系數(shù)，尤其是對MCT試樣而言，與CCT試樣相比，其表面平均摩擦系數(shù)降低了65-75％，這是由于在摩擦過程中，當涂敷在光滑表面的MoS2固體潤滑劑被完全磨掉時，摩擦副接觸表面之間相互摩擦擠壓作用可將儲存在微溝槽中的MoS2潤滑劑不斷析出補給，從而在摩擦接觸面形成MoS2潤滑層;同時，微織構(gòu)可通過撲捉、

7、存儲磨損顆粒的作用有效減緩TiAlN涂層的磨損程度;與NCT和MCT試樣相比，MNCT試樣能夠更加顯著地改善TiAlN涂層的摩擦磨損性能，這主要歸因于基體表面微織構(gòu)與納織構(gòu)的協(xié)同作用。
　　通過車削試驗研究了基體表面織構(gòu)化TiAlN涂層刀具切削AISI316不銹鋼時的切削性能，由試驗結(jié)果可知基體表面織構(gòu)化可顯著提高TiAlN涂層刀具切削性能:與CCT刀具相比，MCT、NCT和MNCT刀具的切削力、刀-屑間平均摩擦系數(shù)均得到不同程度

8、的降低，且其工件加工質(zhì)量顯著改善，其中MNCT刀具切削性能最優(yōu)。另外，與CCT刀具相比，MCT、NCT和MNCT刀具后刀面和前刀面的磨損程度得到了明顯改善，其中MNCT刀具的工件粘結(jié)現(xiàn)象最為輕微，且TiAlN涂層脫落面積最小。基體表面納織構(gòu)化與微織構(gòu)化雙重效用改善TiAlN涂層刀具切削性能的作用機理主要為:一方面，基體表面微織構(gòu)可促進切削液的滲入，充分發(fā)揮切削液的潤滑作用;同時，微織構(gòu)還可起到降低刀-屑接觸長度和捕捉磨屑的作用;另一方面