PVD涂层刀具铣削GH4169高温合金薄壁件性能对比_于忠光.pdf

78航空制造技术2023年第66卷第3期研究论文RESEARCHPVD 涂层刀具铣削 GH4169 高温合金薄壁件性能对比于忠光，浦 荣，韩占龙，于浩南，陈章燕（国宏工具系统（无锡）股份有限公司，无锡 214101）摘要 为解决高温合金薄壁件加工时颤振大和磨损大的问题，研究了不同成分体系涂层对铣削刀具的影响。采用电弧离子镀的方法在硬质合金刀具表面沉积了 AlTiN/TiAlN、AlCrN/TiAlN 和 TiSiN/TiAlN 3 种双层涂层。采用扫描电子显微镜、纳米压痕仪与微米划痕仪表征了 3 种涂层的表面形貌与力学性能，在高性能铣床进行了涂层刀具的铣削试验，采集了刀具后刀面磨损照片与对应切削力，分析了不同涂层在铣削时的性能表现。研究表明，TiSiN/TiAlN涂层具有最高的硬度与耐磨因子，在铣削 24 m 后，后刀面磨损最小，但涂层表层易与高温合金发生黏结；AlCrN/TiAlN 涂层硬度与耐磨因子稍低，铣削 24 m 后，刀具接近失效，但与高温合金黏结并不严重；AlTiN/TiAlN 涂层硬度与耐磨因子最小，铣削后磨损最严重，铣削 12 m 时刀具已经失效，但涂层与高温合金黏结最为轻微。因此，使用硬度与耐磨因子较大的涂层能够有效减小刀具铣削高温合金时的磨损，进而提高刀具寿命。关键词：高温合金；铣削；涂层；磨损；切削力；薄壁件Performance Comparison of PVD Coated Cutting Tools in Milling of GH4169 Superalloy Thin-Walled WorkpieceYU Zhongguang,PU Rong,HAN Zhanlong,YU Haonan,CHEN Zhangyan(Guohong Tools System(Wuxi)Co.,Ltd.,Wuxi 214101,China)ABSTRACT To solve the problem of high vibration and severe wear when milling superalloy thin-walled workpiece,the influence of different coating systems on milling tools was studied.AlTiN/TiAlN,AlCrN/TiAlN and TiSiN/TiAlN double-layer coatings were deposited on the carbide tools by arc ion plating.The morphology and mechanical properties of three coatings were characterized by scanning electron microscope,nano indentation instrument and micron scratch instrument.Milling tests of coated tools were carried out on a high-performance milling machine.The tool wear condition andcuttingforceswerecollected,andtheperformanceofdifferentcoatingsduringmillingwasanalyzed.TheresultsshowthatTiSiN/TiAlNcoatinghasthehighesthardnessandwearresistancefactor,andthewearofflanksurfaceisthesmallestafter 24 m of milling,but the coating is easy to bond with the superalloy.Compared with TiSiN/TiAlN,the hardness and wear resistance factor of AlCrN/TiAlN coating are smaller,and the tool is close to failure after 24 m of milling,but the bond with superalloy is not so serious;AlTiN/TiAlN coating has the smallest hardness and wear resistance factor,and the most severe wear condition.The tool has failed after milling of 12 m,but the bond between the coating and the superalloy istheslightest.Therefore,coatingwithhigherhardnessandwearresistancefactorcaneffectivelyreducethewearofthetool when milling superalloys and prolong tool life.Keywords:Superalloy;Milling;Coating;Wear;Cutting force;Thin-walled workpieceDOI:10.16080/j.issn1671-833x.2023.03.078引文格式：于忠光,浦荣,韩占龙,等.PVD 涂层刀具铣削 GH4169 高温合金薄壁件性能对比J.航空制造技术,2023,66(3):7884.YU Zhongguang,PU Rong,HAN Zhanlong,et al.Performance comparison of PVD coated cutting tools in milling of GH4169 superalloy thin-walled workpieceJ.Aeronautical Manufacturing Technology,2023,66(3):7884.792023年第66卷第3期航空制造技术RESEARCH研究论文高温合金是指能在高温下长期服役工作，是铁基、镍基以及钴基高温合金具有良好高温力学性能、化学稳定性与抗氧化性能的合金材料，其中镍基高温合金应用最为广泛。高温合金使用温度一般可以达到 600，而镍基高温合金更是能达到 1000 以上，出色的高温性能使其常被应用于航空、国防与核工业领域12。高温合金加工的难点在于切削阻力大、切削温度高和加工硬化严重。与传统加工材料相比，高温合金塑性变形抗力大，其切削力通常比钢大，但导热系数却只有钢的 1/3，因此切削时刀尖易产生高温，影响刀具高温强度34。除此之外，高温合金切削时加工硬化现象明显，表面硬化层的存在增大了崩刃的风险，这在端面铣时尤为明显。高温合金切削时刀具常见的失效方式包括黏结磨损、磨粒磨损、氧化磨损和扩散磨损。薄壁件因重量轻、结构利用率高等特点而被广泛用于航空航天、汽车工业与国防领域，但薄壁件在铣削加工时常会遇到表面质量差、加工精度低、工件变形大、残余应力大等问题，这是由于刀具在铣削薄壁件时，系统整体刚性低、阻尼弱，除了正常振动外还会造成不良颤振，严重影响刀具的加工稳定性57。薄壁件的颤振会导致刀具与被加工材料产生周期性的相互挤压，加剧刀具后刀面位置的黏结磨损与磨粒磨损，加速崩口的产生与刀具的失效8。因此，如何抑制刀具磨损的同时并减小颤振带来的影响是提高高温合金薄壁件切削寿命的关键。涂层在高温合金切削时可以起到隔绝热量与减磨耐磨的效果，涂层刀具与未涂层刀具相比，具有明显的寿命提升，较为常见的高温合金切削用涂层有 AlCrN、TiAlN、TiSiN 和 TiAlSiN 等911。涂层中较高的铝含量能够有效提高其硬度与高温抗氧化能力。Ucun等12在 K20 和 K50 硬 质 合 金 表 面 制 备 了 AlCrN、AlTiN、AlCrN/TiAlN 和 DLC 等涂层，并进行了不同涂层用于 Inconel 718 镍基高温合金的切削性能的相比，试验证明，所有涂层刀具均较裸刀有明显的性能提升，在涂层刀具中，AlCrN 涂层无论在低速还是高速下都表现出了较好的抗磨损能力，而 DLC 涂层则在抗黏结方面表现突出。Li 等13认为，TiAlSiN 涂层因较 TiAlN具有更好的力学性能与耐热性能而更适合用于高温合金的切削，因此，采用磁控溅射（HiPIMS）技术制备了 5种不同的 TiAlSiN 涂层，包括高硬单层结构、高结合力单层结构、双层结构、4 层结构和 8 层结构，并测试了在60 m/min 线速度下加工 Inconel 718 时的涂层性能，结果表明，高硬单层结构与 8 层结构的涂层具有较好的切削表现。Reolon 等14采用阴极电弧沉积（CAD）与高功率脉冲 HiPIMS 两种工艺分别制备了 Al0.6Ti0.4N 涂层，两种涂层在化学成分上几乎一致，但通过 HiPIMS 工艺制备的涂层具有更小的孔隙率、更高的抗塑性变形因子、更高的结合强度与更好的抗氧化性能，在对 Inconel 718 镍基高温合金的精加工测试中，HiPIMS 工艺制备的涂层刀具也有更长的切削寿命，本研究认为，这种整体性能上的提升来源于 HiPIMS 工艺下涂层在物理以及化学稳定性上的增强。除此之外，许多学者也提出了其他的适合高温合金切削用涂层，包括 AlCrSiN15、CrAlYN16、TiZrN17和 TiAlN/Al2O318等。目前，高温合金切削用涂层的研究仍主要集中在涂层制备与理论分析上，实际应用于切削工具上的研究鲜有报道。本研究采用电弧离子镀工艺制备不同成分体系的 PVD 涂层，通过比较涂层刀具在不同阶段的磨损情况，分析研究涂层在铣削中的作用与影响，为 GH4169高温合金薄壁件铣削用涂层的选择提供参考依据。1 涂层刀具的制备1.1 涂层刀具制备采用电弧离子镀工艺在硬质合金基体上制备了 3种双层涂层。涂覆设备为 Balzers Ingeina 涂层炉，所用靶材包含外层用靶 Ti0.33Al0.67、Ti0.80Si0.20、Al0.70Cr0.30以及内层用靶Ti0.50Al0.50。沉积温度为550，基体偏压为 80 V，涂层炉内保持 3.5104 MPa 的氮气偏压，沉积时间30 45 min，刀具绕大盘公转的同时自身保持自转以获得均匀的涂层厚度，3 种涂层厚度控制在 2 m 左右。为保证涂层与基体具有良好的结合力，涂层前需经专用清洗剂超声漂洗，烘干备用。涂层前在高真空状态下进行离子刻蚀以获得活化表面，刻蚀电压 800 V。为提高表面质量，涂层刀具冷却出炉后采用抛光后处理去除表面液滴及炉灰。1.2 涂层表征通过扫描电子显微镜（Ziess EVO18）获得涂层截面形貌与涂层刀具铣削后表面磨损特征，并分析涂层失效机理；采用 X 射线能谱仪（BrukerXflash6130）分析涂层铣削前后元素组成分布；采用纳米压痕仪（Bruker Hysitron TI Premier）分析涂层硬度及弹性模量，最大载荷 8000 N，压头选用 Berkovich 低载金刚石锥形头，每个涂层标块采集 8 10 个点，取平均值作为最终结果。1.3 涂层刀具试切铣削用刀具为自研四刃锥度球头铣刀，刀具刃径为 5.5 mm，球头部位前角角度为 0、后角角度 13、螺旋角 17、刃口钝化值 1020 m。试验采用高性能加工中心（Fanuc D14MiB）进行镍基高温合金薄壁件平面铣削性能测试，具体铣削参数如表 1 所示。被加工材料为 GH4169 高温合金长方形薄板，薄板长 125 mm、宽 50 mm、厚 4 mm，其主要化学成分及力学性能参数如表 2 和80航空制造技术2023年第66卷第3期研究论文RESEARCH3 所示。为了获得涂层刀具铣削