【摘 要】
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钛合金因具有优良的综合性能,是轻量化和特殊环境下使用的首选材料之一,被广泛应用于军事和民用等各个领域。但是,钛合金具有高温强度高、弹性模量低、反应活性大和摩擦系数高等特点,是典型的难加工材料,具有高的切削加工成本,这限制了钛合金应用。涂层刀具就是在刀具基体材料上沉积涂层,它能在保持基体材料强韧性的基础上显著提高刀具的耐磨性和硬度等性能,是目前切削加工中使用最广泛的一种刀具类型。但是,涂层刀具在切削
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钛合金因具有优良的综合性能,是轻量化和特殊环境下使用的首选材料之一,被广泛应用于军事和民用等各个领域。但是,钛合金具有高温强度高、弹性模量低、反应活性大和摩擦系数高等特点,是典型的难加工材料,具有高的切削加工成本,这限制了钛合金应用。涂层刀具就是在刀具基体材料上沉积涂层,它能在保持基体材料强韧性的基础上显著提高刀具的耐磨性和硬度等性能,是目前切削加工中使用最广泛的一种刀具类型。但是,涂层刀具在切削钛合金时存在刀具震颤、粘结磨损严重、摩擦系数大等问题,目前的刀具涂层很难满足钛合金切削加工要求,因此,需要针对钛合金切削加工特点,开发力学性能优良、亲和性低及摩擦系数低的刀具涂层。基于上述背景,针对钛合金切削时亲和性高及摩擦系数大的问题,本文采用磁控溅射的方法,首先分别制备低亲和性的TaO涂层和自润滑的WS涂层,然后制备低亲和性和自润滑复合的功能复合涂层。对于低低亲和性TaO涂层,主要考察了不同厚度对涂层微观结构和减亲和性效果的影响;对于自润滑WS涂层,主要考察了 WS的生长方式对摩擦系数等自润滑性能的影响;对于功能复合涂层,主要考察了复合方式对亲和性和自润滑性能的影响,最终提出了能同时消除粘结磨损和降低摩擦系数的涂层制备方法。主要结果如下:（1）低亲和性TaO涂层研究,主要研究在TiAlTaN涂层表面沉积不同厚度的TaO涂层对钛合金切削粘结磨损的影响。发现随着涂层厚度增加,涂层表面更加致密,粗糙度和摩擦系数下降。在摩擦实验中随TaO厚度增加,涂层表面粘结的钛合金体积减少。在不同涂层和刀具基体上沉积TaO涂层,研究了其切削性能,结果显示,在国产粗晶WC的刀具基体上面分别沉积TiAlTaN涂层和TiAlTaN/TaO涂层,TiAlTaN涂层切削距离为115 m,而TiAlTaN/TaO涂层切削距离可达356 m。在进口的商业化涂层刀具上制备TaO涂层后,其切削距离达547 m后,刀具后刀面磨损量仅为0.214 mm,而无TaO时刀具在切削到115 m时涂层已经磨损不能使用。（2）自润滑WS涂层研究,主要用磁控溅射方法制备了摩擦系数可低达0.198的WS自润滑涂层。将其嵌入到TiAlN涂层中,形成复合自润滑涂层,通过摩擦过程中WS的析出达到自润滑的作用,该涂层以粘结磨损、磨粒磨损和脆性破裂为主。将WS嵌入到TiAlTaN涂层中,可使涂层的摩擦系数由纯TiAlTaN的1.02下降到0.37,而涂层硬度仍能保持25 GPa以上。（3）功能复合涂层,主要研究了直径为75 μm和100μm的WS柱对复合涂层性能的影响。发现WS柱的尺寸会影响涂层的表面形貌,当尺寸为100 μm时,涂层表面颗粒变大,涂层硬度介于TaO和TiAlTaN的硬度之间,其值约为16 GPa。对其摩擦性能进行检测,发现涂层能明显降低摩擦系数,两种直径时分别为0.28和0.21,相较TiAlTaN分别下降了 72.5%和79.4%。
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