于忠光，浦 榮，韓占龍，于浩南，陳章燕

（國(guó)宏工具系統(tǒng)（無錫）股份有限公司，無錫 214101）

高溫合金是指能在高溫下長(zhǎng)期服役工作，是鐵基、鎳基以及鈷基高溫合金具有良好高溫力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性與抗氧化性能的合金材料，其中鎳基高溫合金應(yīng)用最為廣泛。高溫合金使用溫度一般可以達(dá)到600 ℃，而鎳基高溫合金更是能達(dá)到1000 ℃以上，出色的高溫性能使其常被應(yīng)用于航空、國(guó)防與核工業(yè)領(lǐng)域[1–2]。

高溫合金加工的難點(diǎn)在于切削阻力大、切削溫度高和加工硬化嚴(yán)重。與傳統(tǒng)加工材料相比，高溫合金塑性變形抗力大，其切削力通常比鋼大，但導(dǎo)熱系數(shù)卻只有鋼的1/3，因此切削時(shí)刀尖易產(chǎn)生高溫，影響刀具高溫強(qiáng)度[3–4]。除此之外，高溫合金切削時(shí)加工硬化現(xiàn)象明顯，表面硬化層的存在增大了崩刃的風(fēng)險(xiǎn)，這在端面銑時(shí)尤為明顯。高溫合金切削時(shí)刀具常見的失效方式包括黏結(jié)磨損、磨粒磨損、氧化磨損和擴(kuò)散磨損。薄壁件因重量輕、結(jié)構(gòu)利用率高等特點(diǎn)而被廣泛用于航空航天、汽車工業(yè)與國(guó)防領(lǐng)域，但薄壁件在銑削加工時(shí)常會(huì)遇到表面質(zhì)量差、加工精度低、工件變形大、殘余應(yīng)力大等問題，這是由于刀具在銑削薄壁件時(shí)，系統(tǒng)整體剛性低、阻尼弱，除了正常振動(dòng)外還會(huì)造成不良顫振，嚴(yán)重影響刀具的加工穩(wěn)定性[5–7]。薄壁件的顫振會(huì)導(dǎo)致刀具與被加工材料產(chǎn)生周期性的相互擠壓，加劇刀具后刀面位置的黏結(jié)磨損與磨粒磨損，加速崩口的產(chǎn)生與刀具的失效[8]。因此，如何抑制刀具磨損的同時(shí)并減小顫振帶來的影響是提高高溫合金薄壁件切削壽命的關(guān)鍵。

涂層在高溫合金切削時(shí)可以起到隔絕熱量與減磨耐磨的效果，涂層刀具與未涂層刀具相比，具有明顯的壽命提升，較為常見的高溫合金切削用涂層有AlCrN、TiAlN、TiSiN 和TiAlSiN 等[9–11]。涂層中較高的鋁含量能夠有效提高其硬度與高溫抗氧化能力。Ucun等[12]在K20 和K50 硬質(zhì)合金表面制備了AlCrN、AlTiN、AlCrN/TiAlN 和DLC 等涂層，并進(jìn)行了不同涂層用于Inconel 718 鎳基高溫合金的切削性能的相比，試驗(yàn)證明，所有涂層刀具均較裸刀有明顯的性能提升，在涂層刀具中，AlCrN 涂層無論在低速還是高速下都表現(xiàn)出了較好的抗磨損能力，而DLC 涂層則在抗黏結(jié)方面表現(xiàn)突出。Li 等[13]認(rèn)為，TiAlSiN 涂層因較TiAlN具有更好的力學(xué)性能與耐熱性能而更適合用于高溫合金的切削，因此，采用磁控濺射 （HiPIMS）技術(shù)制備了5種不同的TiAlSiN 涂層，包括高硬單層結(jié)構(gòu)、高結(jié)合力單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)、4 層結(jié)構(gòu)和8 層結(jié)構(gòu)，并測(cè)試了在60 m/min 線速度下加工Inconel 718 時(shí)的涂層性能，結(jié)果表明，高硬單層結(jié)構(gòu)與8 層結(jié)構(gòu)的涂層具有較好的切削表現(xiàn)。Reolon 等[14]采用陰極電弧沉積 （CAD）與高功率脈沖HiPIMS 兩種工藝分別制備了Al0.6Ti0.4N 涂層，兩種涂層在化學(xué)成分上幾乎一致，但通過HiPIMS 工藝制備的涂層具有更小的孔隙率、更高的抗塑性變形因子、更高的結(jié)合強(qiáng)度與更好的抗氧化性能，在對(duì)Inconel 718 鎳基高溫合金的精加工測(cè)試中，HiPIMS 工藝制備的涂層刀具也有更長(zhǎng)的切削壽命，本研究認(rèn)為，這種整體性能上的提升來源于HiPIMS 工藝下涂層在物理以及化學(xué)穩(wěn)定性上的增強(qiáng)。除此之外，許多學(xué)者也提出了其他的適合高溫合金切削用涂層，包括AlCrSiN[15]、CrAlYN[16]、TiZrN[17]和TiAlN/Al2O3[18]等。

目前，高溫合金切削用涂層的研究仍主要集中在涂層制備與理論分析上，實(shí)際應(yīng)用于切削工具上的研究鮮有報(bào)道。本研究采用電弧離子鍍工藝制備不同成分體系的PVD 涂層，通過比較涂層刀具在不同階段的磨損情況，分析研究涂層在銑削中的作用與影響，為GH4169高溫合金薄壁件銑削用涂層的選擇提供參考依據(jù)。

1 涂層刀具的制備

1.1 涂層刀具制備

采用電弧離子鍍工藝在硬質(zhì)合金基體上制備了3種雙層涂層。涂覆設(shè)備為Balzers Ingeina 涂層爐，所用靶材包含外層用靶Ti0.33Al0.67、Ti0.80Si0.20、Al0.70Cr0.30以及內(nèi)層用靶Ti0.50Al0.50。沉積溫度為550 ℃，基體偏壓為–80 V，涂層爐內(nèi)保持3.5×10–4MPa 的氮?dú)馄珘?，沉積時(shí)間30～ 45 min，刀具繞大盤公轉(zhuǎn)的同時(shí)自身保持自轉(zhuǎn)以獲得均勻的涂層厚度，3 種涂層厚度控制在2 μm 左右。為保證涂層與基體具有良好的結(jié)合力，涂層前需經(jīng)專用清洗劑超聲漂洗，烘干備用。涂層前在高真空狀態(tài)下進(jìn)行離子刻蝕以獲得活化表面，刻蝕電壓–800 V。為提高表面質(zhì)量，涂層刀具冷卻出爐后采用拋光后處理去除表面液滴及爐灰。

1.2 涂層表征

通過掃描電子顯微鏡 （Ziess EVO18）獲得涂層截面形貌與涂層刀具銑削后表面磨損特征，并分析涂層失效機(jī)理；采用X 射線能譜儀 （Bruker Xflash 6130）分析涂層銑削前后元素組成分布；采用納米壓痕儀（Bruker Hysitron TI Premier）分析涂層硬度及彈性模量，最大載荷8000 μN(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。

1.3 涂層刀具試切

銑削用刀具為自研四刃錐度球頭銑刀，刀具刃徑為5.5 mm，球頭部位前角角度為0°、后角角度13°、螺旋角17°、刃口鈍化值10～20 μm。試驗(yàn)采用高性能加工中心（Fanuc α–D14MiB）進(jìn)行鎳基高溫合金薄壁件平面銑削性能測(cè)試，具體銑削參數(shù)如表1所示。被加工材料為GH4169 高溫合金長(zhǎng)方形薄板，薄板長(zhǎng)125 mm、寬50 mm、厚4 mm，其主要化學(xué)成分及力學(xué)性能參數(shù)如表2和3 所示。為了獲得涂層刀具銑削狀態(tài)，采用多通道測(cè)力儀收集刀具銑削時(shí)產(chǎn)生的力信號(hào)，并使用Dynoware 軟件對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)分析處理，并結(jié)合刀具后刀面磨損照片進(jìn)行綜合分析。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，整體銑削試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 銑削試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup for milling

表1 銑削參數(shù)Table 1 Cutting parameters

表2 GH4169 高溫合金物理性能Table 2 Physical properties of GH4169 superalloy

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層形貌與成分

AlTiN/TiAlN、AlCrN/TiAlN 與TiSiN/TiAlN 3 種涂層的表面形貌如圖2所示，3 種涂層厚度分別為1.97 μm、1.88 μm 和2.07 μm，涂層內(nèi)部均勻致密，無孔隙缺陷，且均與基體間具有良好的結(jié)合，界面位置無裂紋。

圖2 涂層截面SEM 形貌Fig.2 SEM morphology of coatings

表3 GH4169 高溫合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 Chemical composition of GH4169 superalloy(mass fraction) %

對(duì)3 種涂層表面進(jìn)行了EDX 分析，涂層外層成分分別為Al0.63Ti0.37N、Al0.67Cr0.33N 與Ti0.85Si0.15N，為便于表示，取涂層中金屬元素原子比作為涂層的名義成分。由于外層涂層厚度足夠大，在該測(cè)試條件下探測(cè)深度小于1.5 μm，因此內(nèi)層TiAlN 涂層并不會(huì)影響外層成分分析結(jié)果。結(jié)果表明，3 種涂層外層中成分均與所用靶材成分相近，但Ti 原子所占比例在AlTiN/TiAlN 和TiSiN/TiAlN 涂層中均略高于靶材中對(duì)應(yīng)金屬原子比，而Cr原子所占比例在AlCrN/TiAlN 涂層中也略高于靶材中對(duì)應(yīng)金屬原子比，這是由于原子離化率不同所造成的，Ti 與Cr 的平均電荷數(shù)與離化率都較Si 與Al 大很多，因此數(shù)量更多、能量更大的Ti 離子與Cr 離子能夠到達(dá)刀具表面[19]。

2.2 涂層力學(xué)性能

涂層的硬度H、彈性模量E、H/E和膜破力是衡量涂層切削性能的重要力學(xué)參數(shù)，通過測(cè)試分析這些參數(shù)可以獲得涂層的耐磨性能以及結(jié)合力性能，并以此作為涂層綜合切削性能的評(píng)判依據(jù)[20]。

通過納米壓痕儀測(cè)得了3 種涂層的硬度以及彈性模量，并計(jì)算得到了耐磨因子參數(shù)H/E，如圖3所示。AlTiN/TiAlN、AlCrN/TiAlN 和TiSiN/TiAlN 3 種涂層硬度分別為32.9 GPa、35.5 GPa 和42.5 GPa；彈性模量分別為307.9 GPa、287.4 GPa 和305.7 GPa。上述3 種涂層中，TiSiN/TiAlN 涂層表現(xiàn)出了最高的納米硬度與較小的彈性模量，這也使得其擁有最大的耐磨因子，H/E達(dá)到了0.139。AlTiN/TiAlN 涂層擁有最低的納米硬度與耐磨因子H/E，H/E僅為0.107。而AlCrN/TiAlN 涂層的納米硬度與耐磨因子則介于前兩者之間，H/E為0.124。TiSiN/TiAlN 涂層之所以能夠擁有較高的硬度與較低的彈性模量與其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，過量的Si 原子在涂層中形成了非晶態(tài)的Si3N4相，這些非晶相能夠在TiN 晶粒周圍包裹并形成連續(xù)的Si3N4膜，抑制晶粒長(zhǎng)大的同時(shí)也阻礙了晶粒內(nèi)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)[21]。而連續(xù)的Si3N4非晶相又為涂層提供了良好的彈性變形能力，在受到變形時(shí)能通過彈性變形吸收較多的載荷而不發(fā)生斷裂。因此，這種高硬度、低彈性模量的特征使得TiSiN/TiAlN 涂層在理論上具有了較好的耐磨性。

圖3 涂層硬度、彈性模量與耐磨因子的對(duì)比Fig.3 Hardness,elastic modulus and wear resistance factor of coatings

2.3 刀具磨損分析

試驗(yàn)收集了AlTiN/TiAlN、AlCrN/TiAlN 和TiSiN/TiAlN 3 種涂層刀具在銑削GH4169 高溫合金時(shí)不同時(shí)間狀態(tài)下的磨損狀況與切削力信號(hào)。在加工4 m、8 m、12 m、16 m、20 m 以及24 m 后，分別采集了刀具后刀面的磨損照片，測(cè)量了磨損寬度，并繪制了刀具后刀面磨損曲線。依據(jù)刀具實(shí)際銑削壽命，將后刀面最大磨損寬度VB=0.2 mm 作為刀具失效判定標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際銑削中，VB 在小于0.2 mm 時(shí)，刀具刃口一般為均勻磨損，能觀察到逐漸磨鈍的過程；VB 大于0.2 mm 時(shí)，刀具刃口穩(wěn)定性急劇下降，開始出現(xiàn)崩口形式磨損。

如圖4所示，3 種涂層中磨損最小的是TiSiN/TiAlN涂層，磨損最大的是AlTiN/TiAlN 涂層，而AlCrN/TiAlN則介于兩者之間。AlTiN/TiAlN 涂層刀具在銑削4 m后處于穩(wěn)定磨損階段，在銑削8 m 后開始進(jìn)入快速磨損階段，刃口處已經(jīng)可以觀察到較大的磨損甚至是崩口，這些不規(guī)則的崩口會(huì)改變切屑的形狀與排屑路徑，高溫高速的切屑會(huì)沿著崩口不斷地與涂層下的硬質(zhì)合金基體擠壓、摩擦，H/E加速崩口的擴(kuò)張，在銑削12 m 后已經(jīng)超過了VB=0.2 mm 的失效判定標(biāo)準(zhǔn)，隨后便一直處于不穩(wěn)定磨損狀態(tài)；在銑削24 m 后，甚至可以觀察到崩口區(qū)貫穿了整個(gè)后刀面，該狀態(tài)下繼續(xù)銑削容易在加工面留下線紋，嚴(yán)重影響工件表面質(zhì)量；AlCrN/TiAlN 涂層刀具在銑削4 m 后，后刀面磨損以月牙狀分布，月牙的寬度與長(zhǎng)度隨著銑削的進(jìn)行不斷變大，在銑削16 m后能觀察到月牙區(qū)靠里側(cè)出現(xiàn)密集的表層小崩口，這些崩口雖然遠(yuǎn)離刃口部位不會(huì)影響加工穩(wěn)定性，但是一定程度上增大了刀具基體與被加工材料的接觸面積與摩擦系數(shù)，增大銑削時(shí)的阻力，在銑削24 m 后磨損寬度達(dá)到了0.18 mm，刃口開始出現(xiàn)較大的崩口，接近失效；TiSiN/TiAlN 涂層刀具后刀面磨損曲線最為平緩，在24 m 處磨損寬度為0.09 mm 左右，僅能觀察到細(xì)長(zhǎng)的月牙形磨鈍特征，后刀面亦無淺層崩口出現(xiàn)，刀具仍處于穩(wěn)定磨損階段且具有較長(zhǎng)的加工壽命。

圖4 3 種涂層刀具后刀面磨損曲線Fig.4 Wear curves of three coated tools

圖5為3 種涂層刀具在銑削24 m 后，掃描電鏡下的后刀面磨損形貌圖。不同的相組成在背散射電子模式下具有不同的襯度，通過這一特點(diǎn)可以清楚地分辨出涂層、基體以及黏屑的分布情況。圖5（a）為AlTiN/TiAlN 涂層刀具銑削24 m 的后刀面磨損形貌，從中可以明顯觀察到三角狀的基體磨損區(qū)與磨損區(qū)右側(cè)的黏結(jié)區(qū)。黏結(jié)區(qū)主要是由加工時(shí)工件回彈造成的黏結(jié)磨損所造成，靠近薄壁件固定端振動(dòng)回彈較小，遠(yuǎn)離固定端振動(dòng)回彈較大。圖5（a）中的淺色相是涂層被黏起后漏出的小塊基體，深色相是殘留在基體表面的涂層，而灰色相則是附著在基體表面的小塊高溫合金黏屑，這種黏結(jié)磨損會(huì)破壞涂層的完整性，加速三角狀磨損區(qū)的向內(nèi)擴(kuò)張。對(duì)黏結(jié)區(qū)灰色相進(jìn)行EDS 點(diǎn)分析，結(jié)果如圖6所示，灰色相除了涂層元素外，主要成分為Ni、Cr、Fe 與O，證明了在該區(qū)域存在黏結(jié)磨損與氧化磨損。磨損區(qū)主要由靠近刃口的磨鈍區(qū)與構(gòu)成平行于刀面的貝殼狀崩口區(qū)。磨鈍區(qū)是銑削時(shí)磨粒磨損造成的帶狀區(qū)域，特征是存在垂直與刃口的梳狀耕犁痕跡，屬于正常磨損。崩口區(qū)則是由銑削時(shí)平行于后刀面的剪切力較大所造成，屬于不正常磨損。在磨損區(qū)內(nèi)部還存在大量的黏屑附著于基體表面，這些黏屑會(huì)堆積在崩口的階梯處，加速基體磨損。圖5（b）為AlCrN/TiAlN 涂層刀具銑削24 m 的后刀面磨損形貌，其磨損特征與AlTiN/TiAlN 涂層類似，但三角狀磨損區(qū)面積要小得多，且黏結(jié)區(qū)磨損較為輕微。從圖5（b）中還可以看到，磨損區(qū)內(nèi)部崩口的寬度、深度也要更小。圖5（c）為TiSiN/TiAlN 涂層刀具銑削24 m 的后刀面磨損形貌，與前兩種涂層刀具相比具有更小的基體磨損區(qū)與黏結(jié)區(qū)，可以看出，黏結(jié)區(qū)涂層缺失較少，僅有部分TiSiN 外層被粘走，底層TiAlN 層主體完整，仍然對(duì)基體提供保護(hù)，磨損區(qū)呈月牙狀分布，且內(nèi)部無明顯崩口存在，刃口部位甚至能觀察到清晰完整的涂層–基體階梯面，在裸露的基體表面存在少量的黏屑。

圖5 涂層刀具后刀面磨損形貌Fig.5 Flank wear of coated tools

圖6 涂層刀具表面黏屑成分Fig.6 Composition of materia adhesion on surface of coated tool

2.4 刀具切削力分析

試驗(yàn)收集了3 種涂層刀具的切削力信號(hào)，并對(duì)力學(xué)信號(hào)進(jìn)行了FFT 處理，得到了對(duì)應(yīng)的切削力–時(shí)間圖與振幅–頻率圖。在3 個(gè)方向分力Fx、Fy、Fz中，進(jìn)給方向分力Fy隨加工時(shí)間變化不穩(wěn)定，而切深方向分力Fz則數(shù)值整體較小，因此本研究選用數(shù)值較大且能明顯判斷出切削力上升的切寬方向分力Fx作為研究對(duì)象，采集加工24 m 時(shí)切削力信號(hào)對(duì)比分析涂層刀具狀態(tài)，結(jié)果如圖7所示。

對(duì)比3 種涂層刀具“切削力–時(shí)間”圖可以發(fā)現(xiàn)，AlTiN/TiAlN 涂層刀具切削力振幅最大，達(dá)到了120 N左右，且波形較為復(fù)雜；AlCrN/TiAlN 涂層刀具切削力振幅較小，為100 N 左右，但波形同樣較為復(fù)雜；TiSiN/TiAlN 涂層刀具切削力振幅最小，僅為90 N 左右，且波形較為整齊。

本研究試驗(yàn)主軸轉(zhuǎn)速為2500 r/min，即SF（主軸頻率）為41.7 Hz，2 階主軸頻率為83.3 Hz，TPF（過齒頻率）為166.6 Hz。因試驗(yàn)所用刀具為具有長(zhǎng)短齒的四刃刀具，因此其過齒頻率振幅會(huì)較2 階主軸頻率稍小。結(jié)合對(duì)應(yīng)位置的“振幅–頻率”圖 （圖7（b））后進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，AlTiN/TiAlN 涂層刀具除了在83.3 Hz 和166.6 Hz處存在較大的振幅外，在41.7 Hz、125.0 Hz、208.3 Hz 和250.0 Hz 處也存在較為明顯的振幅，頻率分別為主軸頻率的1 階、3 階、5 階和6 階諧波。其中3 階與5 階等奇數(shù)階諧波是主軸頻率有關(guān)的諧波，其振幅大小一定程度上能夠反映刀具的磨損狀態(tài)，各刃上的磨損越大越不均勻，所造成的奇數(shù)階諧波就越明顯，刀具加工時(shí)穩(wěn)定性越差[22]。從圖7（b）中可以看出，其奇數(shù)階諧波振幅均較大，且5 階諧波振幅明顯大于主軸頻率振幅，這意味著刀具已經(jīng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的磨損；同樣的情況在AlCrN/TiAlN 涂層刀具上也可觀察到（圖7（d）），雖然圖中各頻率整體振幅水平較低，但是奇數(shù)階諧波相對(duì)明顯，刀具可能已經(jīng)存在少量磨損；TiSiN/TiAlN 涂層刀具“振幅–頻率”圖 （圖7（f））中偶數(shù)階諧波較為明顯，雖然單個(gè)頻率下振幅較AlCrN/TiAlN 涂層刀具更大，但其奇數(shù)階諧波非常小，表明刀具磨損可能較小，刀具銑削穩(wěn)定性非常高。3 種涂層刀具力學(xué)信號(hào)反應(yīng)特征與前文中銑削24 m 后刀具后刀面磨損形貌相匹配，進(jìn)一步證實(shí)了3種涂層刀具的銑削性能差異。

圖7 涂層刀具切削力信號(hào)Fig.7 Cutting force signal of coated tools

3 結(jié)論

本文研究了涂層成分體系對(duì)銑削高溫合金薄壁件的影響，制備了AlTiN/TiAlN、AlCrN/TiAlN 和TiSiN/TiAlN 3 種涂層，分析了涂層的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能，并通過對(duì)比加工過程中的刀具后刀面磨損寬度與切削力信號(hào)，分析討論了涂層刀具在銑削時(shí)的性能差異，結(jié)論如下。

（1）涂層成分體系對(duì)于刀具銑削GH4169 高溫合金薄壁件壽命具有較大影響，涂層硬度越高，耐磨因子越大的涂層抗磨損性能越好，涂層刀具壽命越高。

（2）TiSiN/TiAlN 涂層具有較高的硬度與耐磨因子，分別達(dá)到了42.5 GPa 與0.139。在銑削24 m 后刀具后刀面磨損最為輕微，無明顯崩口出現(xiàn)，且加工穩(wěn)定性最高。

（3）GH4169 高溫合金銑削時(shí)存在的刀具磨損形式有磨粒磨損、黏結(jié)磨損和氧化磨損，其中磨粒磨損與黏結(jié)磨損為主要磨損形式。