PVD涂層硬質(zhì)合金刀具高速車削TA15的磨損機(jī)理

李曉鵬劉 娜/.沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 .沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)中心

PVD涂層硬質(zhì)合金刀具高速車削TA15的磨損機(jī)理

李曉鵬1劉 娜2/1.沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 2.沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)中心

使用PVD涂層(TiAlN)硬質(zhì)合金刀具材料對鈦合金（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）進(jìn)行了車削試驗(yàn)。采用電子掃描顯微鏡（SEM）觀察刀具的磨損形貌,通過能譜分析儀（EDS）分析刀具表面磨損的元素分布。對刀具的主要磨損機(jī)理進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明:使用PVD涂層(TiAlN)硬質(zhì)合金刀具材料車削鈦合金Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr時，刀具磨損初期主要為前刀面月牙洼磨損及均勻后刀面磨損,隨著刀具的進(jìn)一步磨損，前后刀面磨損相連,形成新的不規(guī)則切削刃，涂層硬質(zhì)合金刀具的前后刀面涂層剝落.刀具磨損機(jī)理主要為粘結(jié)磨損、氧化磨損、擴(kuò)散磨損.其中氧化磨損主要發(fā)生在刀具前后刀面的邊緣區(qū)域,由于切削加工過程中刀具前刀面的切削溫度比后刀面的切削溫度高,粘結(jié)磨損、氧化磨損、擴(kuò)散磨損現(xiàn)象在前刀面較為嚴(yán)重。

高速車削；鈦合金；刀具磨損；涂層刀具

1.引言

鈦合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，另外可與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)匹配，其優(yōu)越性能在航空、航天、核能、艦船、兵器等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。TA15是根據(jù)我國航空工業(yè)選材的需要，90年代從俄羅斯引進(jìn)的它是于1964年作為比TA7鈦合金強(qiáng)度更高的板材鈦合金研制成功[2]，與原蘇聯(lián)航空材料研究院于1964年研制成功的通用型鈦合金B(yǎng)T20化學(xué)成分相似[3]。其名義化學(xué)成Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr，該鈦合金屬于高鋁當(dāng)量近α型合金。TA15的室溫抗拉強(qiáng)度在930MPa-1050MPa之間，屬于中等強(qiáng)度鈦合金，隨著材料規(guī)格的放大，合金的強(qiáng)度逐漸降低，TAl5鈦合金為中等強(qiáng)度級別的鈦合金，有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能。該合金在500℃下工作的壽命可達(dá)到3000小時，在450℃下工作的壽命可達(dá)到6000小時。TA15主要特點(diǎn)是密度小但強(qiáng)度高，雖然密度只有4500kg/m3，但強(qiáng)度卻是鋁合金的10倍，在500℃以下工作,是飛機(jī)和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)用重要鈦合金材料。在太行發(fā)動機(jī)中TA15主要用來制造篦齒封嚴(yán)座、后機(jī)匣內(nèi)封嚴(yán)環(huán)、軸承座、承力環(huán)等，推比10發(fā)動機(jī)中主要用來制造矢量噴管外罩，也可用來制造飛機(jī)框架、壁板等[4-5]。

目前對于TA15鈦合金的研究主要集中在材料的高溫?zé)嶙冃涡袨?、微觀組織、高溫鍛造性、高速切削過程切削力的研究等方面，對于TA15材料在加工中的切削加工性能研究較少。鑒于此，本工作采用PVD涂層刀具對TA15鈦合金進(jìn)行了車削試驗(yàn)，通過觀察分析切削過程中刀具磨損形態(tài)，系統(tǒng)的研究了PVD涂層刀具車削TA15鈦合金的磨損機(jī)理，進(jìn)而為TA15鈦合金的加工應(yīng)用及延長切削刀具的使用壽命提供指導(dǎo)作用。

2.試驗(yàn)部分

刀具磨損試驗(yàn)在CAK6150 數(shù)控車床上進(jìn)行,工件材料為TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）棒料，其化學(xué)成分和物理力學(xué)性能見表1、表2所示。

表1 鈦合金Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr的主要化學(xué)成分Table.1 Chemical compositions of titanium alloy TA15

表2 鈦合金Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr的物理力學(xué)性能Table .2 Thermo-mechanical properties of TA15 alloy

采用Kennametal刀具KC5510晶粒細(xì)化的涂層硬質(zhì)合金刀具，配以先進(jìn)的PVD TiAlN涂層。刀具幾何參數(shù)如表3所示；利用OLYMPUS讀數(shù)顯微鏡觀察刀具的磨損量。切削試驗(yàn)結(jié)束后用掃描電鏡（SEM）和能譜分析儀（EDS）對刀具的磨損形態(tài)及局部化學(xué)成分進(jìn)行分析。選取試驗(yàn)優(yōu)化的車削參數(shù)：切削速度vc=60m/min,刀具進(jìn)給量f=0.2mm/rev,切削深度ap=1mm進(jìn)行車削試驗(yàn)，取磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB=0.3mm進(jìn)行試驗(yàn)。

表3 刀具幾何參數(shù)Table 3 Tool signature of PVD insert used in experiments

3.結(jié)果與分析

3.1 初期磨損階段分析

切削加工過程中，前刀面、后刀面不斷與切屑、工件接觸，在接觸區(qū)內(nèi)發(fā)生著強(qiáng)烈的摩擦，同時在這接觸區(qū)域內(nèi)又有很高的溫度和壓力。因此，前刀面和后刀面隨著切削的進(jìn)行都會逐漸產(chǎn)生磨損，圖1為PVD涂層刀具初期磨損階段SEM照片和EDS分析圖，分析圖1（a）、圖1（b）可以看出PVD涂層刀具車削鈦合金TA15初期，刀具磨損主要為前刀面月牙洼磨損及均勻后刀面磨損形態(tài)；由于鈦合金化學(xué)活性高，與刀具材料的親和力強(qiáng)，在切削加工過程中的高溫高壓作用下，工件材料極易與刀具表面發(fā)生粘結(jié)。圖1（c）、圖1（d）可以明顯的看出刀具的前后刀面都粘結(jié)著大量的鈦合金材料，刀具表面層材料性能變化，當(dāng)工件與刀具相對運(yùn)動時，刀具材料的粘結(jié)顆粒被帶走形成了前后刀面的粘結(jié)磨損。

圖1 KC5510涂層刀具初期磨損SEM照片和EDS分析圖Fig.1 SEM image and EDS analysis of initiative wearing stage of the coated cutting tool

由于空氣不易進(jìn)入切削區(qū)域，易在近工件待加工表面的刀具后刀面位置形成氧化膜，所以在刀具的前后刀面的摩擦磨損區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)氧元素，如圖1（c）、圖1（d）所示；而在刀具前后刀面的磨損邊緣區(qū)，切削時受工件表層氧化皮、冷硬層和硬質(zhì)雜點(diǎn)對氧化膜的連續(xù)摩擦，造成了在待加工表面處的刀面上產(chǎn)生氧化磨損，如圖1（e）所示。

圖2 KC5510涂層刀具劇烈磨損SEM照片和EDS分析圖Fig.2 SEM image and EDS analysis of Sharp wearing stage of the tool

3.2 劇烈磨損階段分析

KC5510涂層刀具最外層成分為TiN和TiCN，然后是控制晶粒大小的Al2O3，最后又鍍一層TiCN。隨著切削時間的延續(xù)，前、后刀面磨損加劇，前刀面月牙洼磨損深度加大，均勻后刀面磨損寬度增加，如圖2（a) 、圖2（b)所示。最后，前刀面與后刀面磨損相連，形成新的不規(guī)則切削刃，切屑形態(tài)隨之發(fā)生變化，表面粗糙度增大，刀具進(jìn)入劇烈磨損期，同時，涂層刀具的前后刀面的SEM 形貌中發(fā)現(xiàn)了涂層的剝落現(xiàn)象。由能譜可發(fā)現(xiàn)成分為Al、C 等元素，為刀具的涂層材料。圖示2（d）、圖示2（e）可看出點(diǎn)2、3有明顯的涂層剝落現(xiàn)象，包含有Al等元素是涂層剝落后裸露的陶瓷涂層，同時2、3點(diǎn)更多的O元素，說明在切削區(qū)高溫作用下有氧化現(xiàn)象存在。此外，除了2、3、6點(diǎn)外，包含較多的Fe元素，為擴(kuò)散和粘結(jié)的高強(qiáng)度鋼合金，1、5點(diǎn)包含較多的W元素，說明刀具有破損現(xiàn)象，由上述分析以看出，粘結(jié)磨損、氧化磨損、擴(kuò)散磨損及涂層剝落是涂層刀具的主要磨損機(jī)理。

4. 結(jié)論

a. 采用PVD TiAlN涂層刀具對鈦合金Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr的車削加工時刀具磨損機(jī)理進(jìn)行了研究,刀具的主要磨損機(jī)理為粘結(jié)磨損、氧化磨損、擴(kuò)散磨損和涂層剝落。

b. PVD涂層刀具的氧化磨損主要發(fā)生在前后刀面的磨損邊緣處。由于車削過程中刀具前刀面的切削溫度比后刀面的切削溫度高，導(dǎo)致刀具前刀面的氧化磨損、粘結(jié)磨損、和擴(kuò)散磨損比后刀面嚴(yán)重。

[1]付玉燦.難加工材料高效加工技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2010:45-50.

[2]韓榮第.難加工材料切削加工[M].北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社,1996:31-37.

[3]瓦力金 N莫依謝耶夫.鈦合金在俄羅斯飛機(jī)及航空航天上的應(yīng)用[M].北京：北京航空工業(yè)出版社，2006:12-16.

[4]武文革.金屬切削原理及刀具[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009:25-29.

[5]中國航空材料手冊編委會. 中國航空材料手冊第4卷[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001:188-190.