刀具涂层技术在钛合金加工中的应用

杨祖兵，阎 兵，王铁钢，郭玉垚，靳 刚

（天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津300222）

1 钛合金特性、应用

钛合金在强度、韧性及抗氧化性方面远远超过其他类的金属材料，能够加工制造出质量轻、刚性好、强度高的产品零部件。近些年来钛合金被大量用于飞机上以代替铝合金，其原因就是由于钛合金抗高温能力强，具有高的抗氧化性，耐高温，当温度达到500℃时，其力学性能是铝合金的十倍[1-3]。此外，钛合金还具有高的抗腐蚀性能。在潮湿的环境以及海水介质中，钛合金对点蚀破坏、酸蚀破坏、应力腐蚀破坏的抵抗力远超于不锈钢。使用钛合金加工制造的产品具有高硬度、高熔点、无毒、无磁等特性。

基于上述钛合金的优异性能，因此在航空航天、汽车技术以及医疗技术等领域中钛合金得到了广泛应用。20世纪50年代初，美国部分公司将钛合金应用于F107巡航导弹发动机的叶片轮上，取得了良好的效果[4，5]。在航空航天领域，将钛合金作为关键材料最先应用于航空发动机的风扇、压气机、蒙皮、机身和起落架等部位，这使得飞机整体减重约30%～35%[6]。钛合金还成功应用于核潜艇的耐压壳体、推进器、超声速导弹、侦察机、叶盘、叶片、船舶材料等[7，8]。此外，由于钛合金还具有更好的强度、韧性、延展性以及较好的抗氧化性与耐腐蚀性能，从而在现代医学技术中也被广泛地应用，而且是最合适的金属材料，在人工骨、假肢、牙齿矫正装置、手术器械、下颌骨模型再制造等方面已经成功地得到应用，其中，Ti6Al4V，Ti-3Al-2.5V合金因具有优异的成型性、耐腐蚀性以及良好的力学性能，所以在医学临床技术上常常被用于股骨和胫骨的替换材料[9]。

2 钛合金加工存在的难点

（1）形变系数小：在切削加工中是一个特殊的表征。在切削实验中，因为切削过程产生的切屑与刀具前刀面的接触面积过大，从而增加了切屑在刀具前刀面上的行程；又因摩擦、受力等作用增加了切削刀具的温度，从而加剧了切削刀具的磨损速度。

（2）工作温度高：造成温度高的原因有两方面，一方面是由于第一点中提到的形变系数小会增加切削温度；另一方面的原因是钛合金自身的导热系数小，导热系数小导致切削过程中散热能力差，短时间内温度积增，同时这也是钛合金切削温度高的主要原因。

（3）热导率低：是指在切削实验过程中，由于工作温度高而产生的热量不易散出，产生的大量热量在内部积聚；又由于钛合金热导系数低，因此高热量不能有效地向外部扩散，这样导致大量的热量会集中在刀刃上，使刀刃的温度大幅度上升，较高的温度会使刀刃软化，从而使得切削能力变差，最主要的是加剧了切削刀具的急剧磨损，刀具的耐用率低即使用寿命大幅度降低。

（4）活化性分子高：由于在切削过程中会产生大量的热，这样会使钛合金与切削刀具材料在高温下发生化学反应造成切削刀具失效。当切削过程中钛合金的温度过高时，大气中的氧等气体特别容易与钛合金材料发生化学反应，这样会在钛合金表面生成一层脆硬皮，严重地导致钛合金的硬度大大下降。当钛合金在切削过程中发生严重的塑性变形时，会导致淬硬性现象发生，这样会急速加剧切削刀具的磨损，极大地降低钛材料的各力学性能。

（5）磨损严重：刀具的磨损是由于多方面的原因造成的，在切削实验中，由于钛合金硬度太高，会很容易造成刀具的损坏，发生崩刀现象。而且在切削实验中，会产生大量的热，温度会大幅度上升，在高温下钛合金很容易发生战阶现象，使刀具磨损严重，寿命会降低。

综上所述，在钛合金加工中，一定要特别注意两个方面：（1）保持低的切削温度；（2）提高刀具的刚度，强度和韧性，而涂层技术就是一种提高刀具刚度的一种很好的办法。

3 钛合金切削涂层刀具现状

如上所述，因钛合金其形变系数小、热导率低、活化分子高等特性，切削实验加工过程中会严重产生高的切削温度，加速切削刀具磨损与失效过程。切削加工过程中工件与刀具间的相互摩擦与切削力作用也会使的切削刀具产生严重摩擦磨损。由于在对钛合金做切削加工实验中尚存在很多难点和局限，根据以上原因因此要选择导热系数大、散热性好和化学性能较稳定的刀具[10]。目前业内公认的最适合加工钛合金效果最好的切削刀具是金刚石刀具，但又由于金刚石刀具价格昂贵，因此目前硬质合金涂层刀具作为切削钛合金刀具仍然占据着钛合金切削加工市场的主要地位。

传统理论认为涂层刀具对钛合金的加工并不适用，因为常见的涂层大多为二元TiN或三元CrAlN涂层，而这类涂层虽然有高的硬度和优异的抗氧化性，但是在现代高速切削加工中对涂层性能的要求越来越高，单一涂层往往满足不了现状，在切削实验过程中，刀具较容易失效脱落。Ezugwn等采用二元CrN涂层刀具对钛合金进行切削加工实验，实验结果表明：涂覆有CrN涂层的刀具寿命与未涂覆涂层的刀具寿命相比较，使用寿命时间长30 min，这表明了切削刀具的使用寿命提高。并且对单层的涂层刀具和多层的涂层刀具进行对比，研究表明：就刀具使用寿命而言，单层涂层刀具的使用寿命要远远小于多层涂层刀具的使用寿命；就刀具切削温度而言，多层涂层刀具的切削温度要远远低于单层涂层刀具的切削温度[11-13]。

近年来，由于涂层的制备工艺和研究方法在不断的前进与发展，刀具涂层朝着多元化、复合化和纳米化方向发展，出现了各种各样的新薄膜，如：多层薄膜、纳米复合结构薄膜、超硬质薄膜等，这些薄膜具有良好的摩擦性能、力学性能、用抗氧化性能和抗腐蚀性能，由于具有以上优点，这些涂层被广泛的应用到钛合金的加工中，这些涂层展示了优异的性能，大大促进了现代加工业的发展。

硬质合金涂层刀具未来会朝着成分更加多元化的方向发展。在二元涂层基础上中加入新的元素，例如，在原来二元涂层中加入Zr元素，结果表明会提高涂层的耐磨损性能；加入Si元素后会提高涂层的硬度并且能够防止化学元素的扩散；加入B元素和N元素后涂层会表现出更好的韧性；加入Al、Cr和O元素后会提高涂层抗氧化性能等特性[14，15]。制备出的多元刀具涂层材料相比之前，刀具能够展示出更好的优异性极大地提升刀具得使用性能。涂层材料也已从最开始的TiN、TiAlN、TiCN 发展到现在的 TiSiN、TiSiCN、Al－CrSiN、AlCrN、AlCrSiON、ZrBN、ZrBON 等几十种涂层材料。这些都会更加适应钛合金以及其他难加工材料的高速、高效加工。

4 总结

随着“中国制造2025”的提出，制造业迎来飞速发展，钛合金的应用会越来越多，对质量以及精度要求也会不断提高，如何选择更加合适的钛合金切削刀具，提高产业工业化生产水平要求、降低钛合金构建的成本过程、对机械加工的永久发展和制造业整体优质水平的提高有着深厚的意义。

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