崔海冰 鄧建新 劉愛華 連云松

（山東大學機械工程學院，山東濟南 250061）

TiN涂層具有高硬度、高耐磨性和小摩擦系數(shù)等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于切削刀具，可以提高加工精度，改善工件的表面質(zhì)量，大幅提高切削刀具的使用壽命［1］。然而刀具在進行切削時，由于切入時的急劇升溫、切出時的急劇降溫或切削液的冷卻使涂層刀具在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生劇烈的溫度變化，并相應(yīng)地產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，造成涂層的剝落失效［2］，因此研究涂層刀具的抗熱沖擊性能就顯得尤為重要。目前針對涂層的抗熱沖擊性能研究主要集中于厚度較厚熱障涂層［3－7］，而對于較薄的刀具涂層研究較少。傳統(tǒng)的研究方法是采用水淬法，將臨界溫差作為評價涂層抗熱沖擊性能的參數(shù)。但是筆者經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，水淬法不適合研究刀具涂層的抗熱沖擊性能，主要原因在于刀具涂層的厚度較小，產(chǎn)生的熱應(yīng)力不足以使刀具涂層產(chǎn)生裂紋或脫落，卻足以使基體破壞。采用激光照射的方法，熱影響區(qū)域較小，升溫速度快，在涂層中產(chǎn)生的熱應(yīng)力比較大，可以比較方便地觀察熱沖擊對涂層刀具的影響。因此采用激光照射的方法研究TiN涂層刀具的抗熱沖擊性能。

1 試驗方法

試樣采用由巴爾查斯公司制備的物理氣相沉積（PVD）TiN涂層刀具，基體為YG6，涂層刀具的制備溫度為400℃。涂層的厚度為3 μm，硬度為2 300 HV，和基體之間的結(jié)合力為60 N。

圖1為激光熱沖擊試驗裝置示意圖。實驗原理為:由激光器發(fā)射出的激光，經(jīng)由匯聚透鏡聚焦，照射到試樣表面，激光光波的電磁場和材料發(fā)生相互作用，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽嚇颖砻鏈囟妊杆偕仙?，對試樣形成熱沖擊。激光器采用氙燈泵譜釔鋁石榴石（YAG）脈沖激光器，激光波長為1 064 nm，脈沖寬度為0.1 ms，光斑直徑為1 mm。在試驗過程中使用J－50MBYAG激光能量探頭檢測激光的能量。

激光功率密度計算公式為

式中:Q為脈沖激光的能量，J;τ為脈沖寬度，s;d為光斑直徑，m。

2 應(yīng)力場的有限元仿真

采用ANSYS軟件對激光照射試樣過程中產(chǎn)生的應(yīng)力場進行仿真計算。建立如圖2所示的有限元模型，基體直徑D=3 mm，基體厚度H=0.5 mm，涂層厚度h=3 μm，光斑直徑為1 mm，表1為涂層和基體的熱物理性能參數(shù)。由于模型的軸對稱性，計算時可取其一半并可簡化為二維問題。圖3為有限元模型的邊界條件，與空氣的對流系數(shù)取hc=6 W/（m2·℃）。因為激光束的能量分布屬于高斯分布，所以施加如圖4所示的表面熱源，加熱時間為0.1 ms，模型的初始溫度和環(huán)境溫度為20℃，考慮殘余應(yīng)力的影響。采用ANSYS Plane13單元進行直接熱力耦合分析，在計算過程中作如下假設(shè):涂層和基體均為各向同性;涂層和基體的熱物理性能參數(shù)與溫度無關(guān);忽略塑性變形的影響;涂層與基體結(jié)合良好。

表1 涂層和基體的熱物理性能參數(shù)

圖5～7為功率密度2 400 MW/m2的激光在照射終止時刻（t=0.1 ms）得到的徑向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力云圖。可以看出，軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力在結(jié)合界面處取得最大值，最大值分別為0.545 GPa和0.509 GPa，軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力利于涂層從基體脫離。徑向壓應(yīng)力在涂層表面取得最大值，最大值可達12.5 GPa，徑向壓應(yīng)力要遠遠大于其他2個方向的應(yīng)力，在涂層的破壞中應(yīng)該起主導作用。圖8為在光斑中心位置徑向應(yīng)力沿厚度方向的應(yīng)力分布，可以看出涂層中的應(yīng)力要大于基體中的應(yīng)力，并且在涂層和基體的界面處存在較大的應(yīng)力梯度。圖9為在不同時刻涂層表面徑向應(yīng)力沿半徑方向的應(yīng)力分布，壓應(yīng)力在照射過程中逐步增大，在照射終止時刻應(yīng)力達到最大值，隨后減小。在激光照射區(qū)域內(nèi)部為壓應(yīng)力，因為激光光束的功率密度為高斯分布（如圖4），所以在光斑內(nèi)部存在較大的應(yīng)力差，光斑中心位置應(yīng)力取得最大值。在光斑邊緣應(yīng)力變化較大，并且應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。

3 試驗結(jié)果與討論

圖10為試樣經(jīng)功率密度為4 000 MW/m2的激光照射之后的表面形貌，可以發(fā)現(xiàn)試樣表面有“凸起”現(xiàn)象，并產(chǎn)生明顯的裂紋，裂紋在光斑中心位置最寬并向周圍呈輻射狀擴展。從上一部分的有限元分析可知，由于涂層和基體熱膨脹系數(shù)和溫度場的差異，在涂層和基體的結(jié)合界面處存在較大的應(yīng)力梯度，從而造成結(jié)合界面處應(yīng)變場的突變。當應(yīng)力和應(yīng)變大到一定程度時，涂層和基體脫離。在涂層脫離基體之后，脫離涂層受到周圍很大的壓應(yīng)力作用，類似于四周固支的薄圓板受壓應(yīng)力的作用［8］，當壓應(yīng)力達到一定值時，涂層發(fā)生彈性失穩(wěn)翹曲，向外形成“凸起”。涂層翹曲之后，在壓應(yīng)力的作用下加速失效，產(chǎn)生裂紋。計算涂層發(fā)生彈性失穩(wěn)的臨界應(yīng)力可由下式［9］得出:

式中:μ為材料泊松比;E為彈性模量，Pa;h和a分別為涂層的厚度和半徑，m。

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，涂層發(fā)生“凸起”的區(qū)域主要集中在距光斑中心30 μm的范圍內(nèi)，將a=30 μm代入公式（2）得出TiN涂層發(fā)生彈性失穩(wěn)的臨界壓應(yīng)力為σc=7.83 GPa。利用有限元可以計算出在不同功率密度激光照射下距光斑中心30 μm涂層表面徑向應(yīng)力，如圖11所示。根據(jù)臨界壓應(yīng)力σc=7.83 GPa可以獲得臨界功率密度Pc=1 685 MW/m2。

圖12為試樣在不同功率密度激光照射下光斑中心位置的表面形貌。可以看出激光的功率密度越大，產(chǎn)生的裂紋寬度越寬;激光功率密度越小，產(chǎn)生的裂紋寬度越窄。當激光功率密度為2 000 MW/m2時，僅可觀察到微細裂紋存在;當功率密度為1 900 MW/m2時，涂層表面觀察不到裂紋的存在。因此在這樣的試驗條件下，涂層的臨界功率密度為1 900 MW/m2。

理論分析得到的結(jié)果臨界功率密度為1 685 MW/m2，與試驗結(jié)果存在12.5%的誤差。誤差存在的主要原因在于在實際條件下脈沖激光的全部能量并不能被涂層全部吸收，存在一定的反射，理論分析則假定試樣將脈沖激光的能量全部吸收。除去誤差的因素，理論分析和試驗結(jié)果有較好的一致性，所以可以將激光的臨界功率密度作為評價涂層刀具抗熱沖擊性能的參數(shù)。

4 結(jié)語

（1）通過激光照射的方法研究涂層刀具的抗熱沖擊性能是可行的，將激光的臨界功率密度作為評價涂層刀具抗熱沖擊性能的參數(shù)，通過試驗獲得TiN涂層刀具的臨界功率密度為1 900 MW/m2。

（2）當激光照射區(qū)域涂層和基體在結(jié)合界面處應(yīng)力應(yīng)變大到一定程度時，涂層與基體發(fā)生部分脫離，然后在很大的壓應(yīng)力作用下發(fā)生失穩(wěn)翹曲，從而導致涂層產(chǎn)生裂紋。

（3）通過理論分析和有限元計算得到的結(jié)果與試驗結(jié)果存在12.5%的誤差，產(chǎn)生誤差的主要原因在于試樣不能將激光的能量完全吸收，除去誤差的因素，試驗結(jié)果和有限元計算結(jié)果吻合良好。

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