1、 引言
鎳基高溫合金材料是一種沉淀強(qiáng)化型高溫合金，具有強(qiáng)度、硬度以及高溫力學(xué)性能優(yōu)等特性，被廣泛用于航天航空、國(guó)防、能源等重要領(lǐng)域［1，2］ 。
GH4169鎳基高溫合金在 750℃～ 950℃下能穩(wěn)定工作，被用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片［3］ 。GH4169 高溫合金在高溫下具有優(yōu)異的抗氧化性、抗熱腐蝕性能及較好的蠕變強(qiáng)度，導(dǎo)致在加工中硬化嚴(yán)重，在業(yè)內(nèi)被稱為典型的航空難加工材料。機(jī)加工過程中，鎳基高溫合金硬度高且加工硬化嚴(yán)重，刀具不僅要承受持續(xù)的磨粒磨損，還要承受持續(xù)的熱和力沖擊，導(dǎo)致刀具發(fā)生多種失效。其主要失效方式有前刀面磨損、溝槽磨損、積屑瘤、后刀面磨損以及崩刃等。
在切削高溫合金時(shí)涂層可以起到隔絕熱量與減磨耐磨的效果，與未涂層刀具相比，涂層刀具的壽命明顯提升。較為常見的高溫合金切削用涂層有 Al-CrN，TiAlN，TiSiN 和 TiAlSiN 等［4 －6］ 。Bhatt A.等 ［7］在車削 Inconel 718 合金時(shí)，對(duì)比了無涂層、單一涂層(TiAlN)和復(fù)合涂層(TiCN-Al203 -TiN) 3 種硬質(zhì)合金刀具的切削效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在高速切削時(shí)復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具表現(xiàn)出最好的耐磨性。Fox-Ｒabi-novich G.S.等［8］ 在硬質(zhì)合金刀具表層涂覆納米級(jí)AlTiN-Cu 材料，并使用該刀具切削 Inconel 718 合金，該涂層具有自潤(rùn)滑和改善散熱的作用，能顯著延長(zhǎng)刀具壽命。Yi J. Y. 等［9］ 研究 AlTiN，AlTiN-Ni1. 5和 AlTiN-Ni3等多層復(fù)合納米涂層硬質(zhì)合金刀具切削 Inconel 718 合金，刀具的主要失效形式為前刀面黏結(jié)，在相同的切削條件下，AlTiN-Ni1.5 刀具磨損量最小，其特殊的納米晶結(jié)構(gòu)和高韌性可使刀具壽命延長(zhǎng) 2 倍。
為獲得高切削壽命的高溫合金刀具，本文通過不同涂層工藝，制備了三種 TiAlSiN-TiAlN 復(fù)合涂層刀具，研究了其對(duì)GH4169鎳基高溫合金切削性能的影響。對(duì)涂層的厚度生長(zhǎng)形貌、切削過程中后刀面的磨損量、切削力和切削熱等進(jìn)行了分析，為高效切削GH4169鎳基高溫合金提供參考。
2、 實(shí)驗(yàn)過程與方法
2.1 涂層制備
本研究制備的 TiAlSiN-TiAlN 復(fù)合涂層，采用自主研發(fā)的多功能一體化涂層裝備中的電弧離子鍍功能制備。試樣采用 TNMG160408 型號(hào)硬質(zhì)合金刀具，涂層前對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理，即先用酒精清洗拋光后的金屬陶瓷試樣表面污物，再將干凈表面噴砂處理之后放入涂層沉積室中。在涂層室進(jìn)行二次清潔:在真空度為 5.0 ×10－3 Pa 時(shí)，利用氬離子轟擊試樣表面并加熱 60min。隨后在約 450℃ 的氮?dú)夂蜌鍤夥諊欣眉兌葹?99.99%、成分為 Ti50Al50 的濺射靶、Ti50Al40Si10 在金屬陶瓷試樣表面交替制備 TiAlN 和 TiAlSiN 涂層。涂層沉積過程中，弧靶電流為 120A，偏壓分別為 －60V，－80V，－100V，沉積總時(shí)間為 60min，沉積完成后，試樣在氬氣保護(hù)氣氛中冷卻40min。為避免可能存在的偶然誤差，試樣位置隨機(jī)擺放并在涂層過程中隨擺架轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.2 表征
采用 Hitachi 公司的 SU －3500 型掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)利用Oxford 的 IE2500 型能量色散光譜儀(EDS)分析元素組成、原子百分比及元素?cái)U(kuò)散等情況。采用 MFT － 4000 多功能表面性能測(cè)試儀劃痕法測(cè)定涂層與基體的結(jié)合力，設(shè)置關(guān)鍵參數(shù):最大載荷150N，滑動(dòng)長(zhǎng)度5mm，加載速度100N/min。采用 Bruker Hysitron TI Premier 納米壓痕儀分析涂層硬度及彈性模量，最大載荷 8000μN(yùn)，壓頭選用 Berkovich 低載金剛石錐形頭，每個(gè)涂層標(biāo)塊采集 8 ～10 個(gè)點(diǎn)，取平均值作為最終結(jié)果。
2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
2.3.1 切削有限元仿真
采用 AdvantEdge FEM 軟件進(jìn)行切削仿真，被加工材料選擇GH4169高溫合金，性能如表 1 所示。硬質(zhì)合金及涂層性能采用參考文獻(xiàn)［4］中相對(duì)應(yīng)數(shù)值，工件采用最大網(wǎng)格尺寸為 2，最小網(wǎng)格尺寸為 0.15，網(wǎng)格等級(jí) G = 0.5。切削參數(shù)為切削速度 V c =60m/min，切削深度 ap = 0.1mm，切削進(jìn)給量為 0.2mm/r，其主要成分和物理性能如表 2所示。
2.3.2 切削實(shí)驗(yàn)
使用顯微鏡對(duì)刀具進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)無缺陷后進(jìn)行切削。刃口完整的刀片 ( 未涂層和涂層) 在CK6140 臥式數(shù)控車床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中切削參數(shù)為切削速度 V c =60m/min，切削深度 ap =0.1mm，切削進(jìn)給量為 0.2mm/r，每 2min 通過 VMS － 4030 影像測(cè)量?jī)x觀測(cè)刀片刀尖的磨損形貌，進(jìn)入到穩(wěn)定磨損階段后，通過 SEM 掃描電鏡及 EDS 進(jìn)行形貌和元素分析。
3、 結(jié)果與分析
3.1 涂層組織和性能
三種不同偏壓下 TiAlN/TiAlSiN 復(fù)合涂層斷口形貌如圖 1 所示?？梢钥闯?，三種不同偏壓下的涂層均由上下兩層涂層組成，三種樣品上的涂層厚度分別為 2.21μm，2.37μm，2.74μm，三組圖中均沒有出現(xiàn)明顯的由于涂層沉積殘余應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋。其中 －80V 和 －100V 制備的涂層均可發(fā)現(xiàn)底層 TiAlN材料呈現(xiàn)較為明顯的柱狀晶結(jié)構(gòu)，且 －100V 偏壓下制備的涂層較為平整且致密，－ 60V 偏壓下制備的雙層涂層中底層 TiAlN 柱狀晶生長(zhǎng)狀態(tài)不明顯。
圖 2 為涂層元素分布，表 3 為涂層元素成分，圖3 為三種不同偏壓下的 TiAlN/TiAlSiN 復(fù)合涂層表面形貌。
從圖 3 中可以發(fā)現(xiàn)，三種涂層表面沒有特別明顯差異，三種表面均較為平整，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的大顆粒。隨著偏壓的增加，大顆粒數(shù)量減小，表面的孔隙減少，涂層致密性提高。偏壓增加使得等離子體的活化能增強(qiáng)，涂層沉積效率增加，并且涂層生長(zhǎng)效率增加，涂層堆砌更為致密。偏壓的增加還使得涂層擇優(yōu)生長(zhǎng)趨勢(shì)增強(qiáng)，因而 TiAlN 涂層隨著偏壓的增加，其柱狀晶趨勢(shì)更為明顯。大偏壓可以讓荷能粒子的轟擊能量增加，高的轟擊能量使涂層的反濺射現(xiàn)象增強(qiáng)，涂層表面沉積的吸附力較低的大顆粒在反濺作用下被擊碎或者濺射掉，因此涂層表面顆粒較為細(xì)小。但過高的偏壓會(huì)使反濺射過大，涂層表面生長(zhǎng)反而變差，從顯微組織結(jié)果可以得知，－100V 偏壓下，涂層的反濺射減小，負(fù)偏壓也會(huì)使等離子體離子以更高的能量撞擊基板表面，從而提高其溫度并使薄膜表面平滑。
表 4 為不同偏壓下 TiAlN/TiAlSiN 復(fù)合涂層的機(jī)械性能。
從表中可以發(fā)現(xiàn)，隨著偏壓的增加，復(fù)合涂層與基體結(jié)合力增加，并且在偏壓為 － 100V 時(shí)，結(jié)合力獲得最大值 74.3N。涂層的硬度和彈性模量也隨著偏壓的增加而增大，涂層機(jī)械性能的提高，均優(yōu)于涂層生長(zhǎng)。在偏壓范圍內(nèi)，隨著偏壓的增加，涂層的致密性和擇優(yōu)取向性明顯增強(qiáng)。H/E 表征涂層的抗彈性變形能力，其值越大則代表抗彈性變形能力越強(qiáng)，而 H 3 /E 2 表征涂層的抗塑性變形能力，其值越大，表征涂層的抗塑性變形能力越好。偏壓的增加對(duì)涂層抗彈性變形能力影響不大，但抗塑性變形能力隨著偏壓的增加得到明顯增強(qiáng)。
3.2 切削性能
為了對(duì)比三種偏壓下涂層刀具的切削性能，以GH4169 高溫合金為被加工材料，以切削速度 V c =60m/min，切削深度 a p = 0.1mm，切削進(jìn)給量為0.2mm/r 進(jìn)行了切削實(shí)驗(yàn)。根據(jù) ISO—3685 標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)后刀面磨損量大于 0.3mm 時(shí)，判定切削刀具達(dá)到其切削壽命。
圖 4 為三種不同偏壓下涂層刀具與未涂層刀具切削過程中，后刀面磨損量與時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，涂層刀具的切削磨損量明顯小于未涂層刀具，且隨著偏壓的增加，涂層刀具的壽命得到提高，當(dāng) －100V 偏壓時(shí)，切削壽命最高，約在 38min時(shí)，后刀面磨損量達(dá)到 0.3mm。
在切削過程中，由于涂層刀具的表面硬度明顯提高，因而其刀具耐磨性會(huì)增強(qiáng)。為更清楚地了解切削過程的變化機(jī)理，對(duì)三種不同偏壓下涂層刀具的切削過程進(jìn)行了模擬仿真。如圖 5 所示，三組涂層刀具切削過程均經(jīng)歷短暫的磨合后達(dá)到穩(wěn)定。在穩(wěn)定磨損期，切削力出現(xiàn)穩(wěn)定性的波動(dòng)。隨著偏壓增加，涂層刀具的切削力明顯增加，且在 － 100V 偏壓下制備的涂層刀具主切削力最大約為 1500N。圖 6 為三種不同偏壓下的 TiAlN/TiAlSiN 復(fù)合涂層刀具切削后的溫度分布云圖，刀尖和工件接觸處的切削溫度最高。這是由于在切削過程中，刀尖和被加工材料發(fā)生劇烈的彈塑性變形，當(dāng)剪切力大于被加工材料的剪切極限時(shí)，被加工材料被剝離，產(chǎn)生切屑。隨著偏壓的增加，涂層刀具的最高切削溫度也增加，且當(dāng)偏壓為 － 100V 時(shí)，切削溫度達(dá)到最高值約 1200℃。由于在切削仿真過程中，僅考慮刀具和工件的受力、擠壓、傳熱等理想條件，且刀具涂層、基體以及被加工材料均視為剛體，并未考慮涂層表面涂層顆粒的分布狀態(tài)、孔隙、晶體狀態(tài)以及切削過程中的擴(kuò)散、氧化等化學(xué)或熱力學(xué)過程，且TiAlN/TiAlSiN 涂層的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于含有金屬相的硬質(zhì)合金基體，因而隨著偏壓的增加，涂層厚度增加，使得切削力和切削熱均增加。
圖 7 為未涂層刀具和不同偏壓下 TiAlN/TiAl-SiN 復(fù)合涂層刀具切削高溫合金時(shí)后刀面磨損的光鏡和 SEM 形貌。
結(jié)合表 5 可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于未涂層刀具，表面磨損嚴(yán)重，主要是由于切削過程中磨粒磨損產(chǎn)生的溝槽，涂層刀具的后刀面溝槽較少，主要發(fā)生了擴(kuò)散磨損和氧化磨損，并且隨著偏壓的增加，刀具的整體磨損量減小。對(duì)于未涂層刀具，在切削過程的交變應(yīng)力作用下，剝離高溫合金材料時(shí)，硬質(zhì)合金刀具表面的硬質(zhì)相顆粒脫落，后刀面的磨損過程由高溫合金—硬質(zhì)合金的雙體摩擦變?yōu)楦邷睾辖稹操|(zhì)顆?！操|(zhì)合金的三體摩擦，因而在表面產(chǎn)生磨粒磨損。
由于硬質(zhì)合金表面的硬度相對(duì)于 TiAlN/TiAl-SiN 陶瓷涂層較小，表面磨損較為嚴(yán)重。在硬質(zhì)合金刀具表面進(jìn)行涂層后，磨粒磨損減小，由于涂層的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于含有金屬黏結(jié)相的硬質(zhì)合金，因而涂層刀具接觸點(diǎn)擠壓摩擦等交變應(yīng)力產(chǎn)生的熱量，比未涂層硬質(zhì)合金更難散去，故涂層后刀具接觸點(diǎn)的溫度更高，并且隨著偏壓的增加，涂層厚度增加，涂層致密度增加，接觸點(diǎn)的溫度增加，被加工材料向刀具元素的擴(kuò)散增強(qiáng)，表面氧化效應(yīng)增強(qiáng)，因此隨著涂層偏壓的增加，后刀面的 Ni，Cr，O 等元素增加。由于 Ni，Cr，Al 等元素在氧化過程中容易在表面形成一層較為致密且具有一定潤(rùn)滑特性的氧化膜，潤(rùn)滑膜對(duì)表面產(chǎn)生保護(hù)作用，因此偏壓 － 100V 時(shí)，TiAlN/TiAlSiN 復(fù)合涂層刀具切削壽命最長(zhǎng)。
4 、結(jié)語
針對(duì)GH4169鎳基高溫合金的切削問題，通過制備 TiAlN/TiAlSiN 復(fù)合涂層刀具研究了不同偏壓下 TiAlN/TiAlSiN 復(fù)合涂層刀具的涂層顯微組織、力學(xué)性能以及切削GH4169鎳基高溫合金時(shí)的切削性能，結(jié)論如下。
(1) 三種不同偏壓下的涂層厚度分別為2.21μm，2.37μm，2.74μm，其中 －80V 和 －100V 偏壓下制備的涂層在底層 TiAlN 有較為明顯的柱狀晶結(jié)構(gòu)，且－100V 偏壓制備的涂層平整且致密，并且隨著偏壓的增加，大顆粒數(shù)量減小，表面的孔隙減少，涂層致密性得到提高。
(2)偏壓的增加，復(fù)合涂層與基體結(jié)合力增加，并且在偏壓為 － 100V 時(shí)，結(jié)合力獲得最大值為74.3N。涂層的硬度和彈性模量也隨著偏壓的增加而增大，涂層機(jī)械性能提高，在偏壓范圍內(nèi)，隨著偏壓的增加，涂層的致密性和擇優(yōu)取向性明顯增強(qiáng)。
(3)切削GH4169高溫合金時(shí)，涂層刀具的切削磨損量明顯小于未涂層刀具，且隨著偏壓的增加，涂層刀具的壽命提高，當(dāng) － 100V 偏壓時(shí)，切削壽命最高。切削過程中，Ni，Cr，Al 等元素在氧化過程中容易在表面形成一層較為致密且具有一定潤(rùn)滑特性的氧化膜，氧化膜的形成對(duì)刀具有一定的保護(hù)作用，因此偏壓 － 100V 時(shí)，TiAlN/TiAlSiN 復(fù)合涂層切削刀具切削壽命最長(zhǎng)。
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第一作者:徐興偉，高級(jí)工程師，中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，610503 成都市
First Author:Xu Xingwei，Senior Engineer，AECC Chengdu Engine Co.，Ltd.，Chengdu 610503，China
通信作者:熊計(jì)，教授，四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，610065 成都市
Corresponding Author: Xiong Ji，Professor，School of Me-chanical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China
通信作者:劉俊波，副研究員，四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，610065 成都市
Corresponding Author: Liu Junbo，Associate Ｒesearcher，School of Mechanical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China
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