PVD涂層硬質合金刀具高速車削TA15的磨損機理

李曉鵬劉 娜/.沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室 .沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司技術中心

PVD涂層硬質合金刀具高速車削TA15的磨損機理

李曉鵬1劉 娜2/1.沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室 2.沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司技術中心

使用PVD涂層(TiAlN)硬質合金刀具材料對鈦合金（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）進行了車削試驗。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理進行了分析。研究結果表明:使用PVD涂層(TiAlN)硬質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,隨著刀具的進一步磨損，前后刀面磨損相連,形成新的不規則切削刃，涂層硬質合金刀具的前后刀面涂層剝落.刀具磨損機理主要為粘結磨損、氧化磨損、擴散磨損.其中氧化磨損主要發生在刀具前后刀面的邊緣區域,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,粘結磨損、氧化磨損、擴散磨損現象在前刀面較為嚴重。

高速車削；鈦合金；刀具磨損；涂層刀具

1.引言

鈦合金具有質量輕、比強度高、耐高溫、耐腐蝕性好等優點，另外可與復合材料結構匹配，其優越性能在航空、航天、核能、艦船、兵器等諸多領域廣泛應用[1]。TA15是根據我國航空工業選材的需要，90年代從俄羅斯引進的它是于1964年作為比TA7鈦合金強度更高的板材鈦合金研制成功[2]，與原蘇聯航空材料研究院于1964年研制成功的通用型鈦合金BT20化學成分相似[3]。其名義化學成Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr，該鈦合金屬于高鋁當量近α型合金。TA15的室溫抗拉強度在930MPa-1050MPa之間，屬于中等強度鈦合金，隨著材料規格的放大，合金的強度逐漸降低，TAl5鈦合金為中等強度級別的鈦合金，有良好的綜合力學性能和工藝性能。該合金在500℃下工作的壽命可達到3000小時，在450℃下工作的壽命可達到6000小時。TA15主要特點是密度小但強度高，雖然密度只有4500kg/m3，但強度卻是鋁合金的10倍，在500℃以下工作,是飛機和發動機結構用重要鈦合金材料。在太行發動機中TA15主要用來制造篦齒封嚴座、后機匣內封嚴環、軸承座、承力環等，推比10發動機中主要用來制造矢量噴管外罩，也可用來制造飛機框架、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熱變形行為、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鈦合金進行了車削試驗，通過觀察分析切削過程中刀具磨損形態，系統的研究了PVD涂層刀具車削TA15鈦合金的磨損機理，進而為TA15鈦合金的加工應用及延長切削刀具的使用壽命提供指導作用。

2.試驗部分

刀具磨損試驗在CAK6150 數控車床上進行,工件材料為TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）棒料，其化學成分和物理力學性能見表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的物理力學性能Table .2 Thermo-mechanical properties of TA15 alloy

采用Kennametal刀具KC5510晶粒細化的涂層硬質合金刀具，配以先進的PVD TiAlN涂層。刀具幾何參數如表3所示；利用OLYMPUS讀數顯微鏡觀察刀具的磨損量。切削試驗結束后用掃描電鏡（SEM）和能譜分析儀（EDS）對刀具的磨損形態及局部化學成分進行分析。選取試驗優化的車削參數：切削速度vc=60m/min,刀具進給量f=0.2mm/rev,切削深度ap=1mm進行車削試驗，取磨鈍標準VB=0.3mm進行試驗。

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

3.結果與分析

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，在接觸區內發生著強烈的摩擦，同時在這接觸區域內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行都會逐漸產生磨損，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；由于鈦合金化學活性高，與刀具材料的親和力強，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生粘結。圖1（c）、圖1（d）可以明顯的看出刀具的前后刀面都粘結著大量的鈦合金材料，刀具表面層材料性能變化，當工件與刀具相對運動時，刀具材料的粘結顆粒被帶走形成了前后刀面的粘結磨損。

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

由于空氣不易進入切削區域，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域內未發現氧元素，如圖1（c）、圖1（d）所示；而在刀具前后刀面的磨損邊緣區，切削時受工件表層氧化皮、冷硬層和硬質雜點對氧化膜的連續摩擦，造成了在待加工表面處的刀面上產生氧化磨損，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，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，形成新的不規則切削刃，切屑形態隨之發生變化，表面粗糙度增大，刀具進入劇烈磨損期，同時，涂層刀具的前后刀面的SEM 形貌中發現了涂層的剝落現象。由能譜可發現成分為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2、3有明顯的涂層剝落現象，包含有Al等元素是涂層剝落后裸露的陶瓷涂層，同時2、3點更多的O元素，說明在切削區高溫作用下有氧化現象存在。此外，除了2、3、6點外，包含較多的Fe元素，為擴散和粘結的高強度鋼合金，1、5點包含較多的W元素，說明刀具有破損現象，由上述分析以看出，粘結磨損、氧化磨損、擴散磨損及涂層剝落是涂層刀具的主要磨損機理。

4. 結論

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理進行了研究,刀具的主要磨損機理為粘結磨損、氧化磨損、擴散磨損和涂層剝落。

b. PVD涂層刀具的氧化磨損主要發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，導致刀具前刀面的氧化磨損、粘結磨損、和擴散磨損比后刀面嚴重。

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

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

[3]瓦力金 N莫依謝耶夫.鈦合金在俄羅斯飛機及航空航天上的應用[M].北京：北京航空工業出版社，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:中國標準出版社,2001:188-190.