B4C/h-BN添加对激光制备的Ni60AA复合涂层摩擦学和腐蚀行为的协同效应

《Surface and Coatings Technology》：Synergistic effect of B 4C/h-BN addition on the tribological and corrosion behavior of laser prepared Ni60AA composite coating

本研究分析了TiAlSiN单层和TiSiN/TiSiVN多层涂层Al?O?/SiC陶瓷刀具在干车削AISI 316L不锈钢时的性能，发现多层涂层在350 m/min高速下切削力增加15%，表面粗糙度降低30%，且V?O?自适应氧化膜有效减少摩擦和磨损。实验通过三工位测试测量切削力、表面粗糙度、切削温度及磨损量，结合SEM、EDS和拉曼光谱验证涂层机制，证实TiSiN/TiSiVN涂层因双模式保护机制（被动Al?O?/Si?N?层与主动V?O?润滑层）显著优于其他涂层。

　　本研究探讨了在干式切削条件下，未涂层、TiAlSiN涂层和TiSiN/TiSiVN多层涂层的Al?O?/SiC陶瓷刀具在AISI 316L奥氏体不锈钢上进行三次连续切削时的摩擦-机械性能。通过分析切削力、表面粗糙度、切削温度和刀具磨损（前刀面和后刀面），研究重点在于氧化物形成和自润滑机制的影响。结果显示，TiSiN/TiSiVN多层涂层刀具表现出最佳性能，其切削力在三次切削过程中仅增加了约15%，相较于TiAlSiN涂层刀具的前刀面磨损抵抗力提高了约9%，并且在350米/分钟的切削速度下，其磨损进展比未涂层刀具低约17%。表面粗糙度和切削温度的变化趋势进一步验证了涂层的优越性，这归因于V?O?氧化物的形成，这些氧化物能够降低摩擦并减少热降解。通过EDS和SEM分析，确认了这些涂层的磨损保护机制，强调了基于钒的层在减少粘附和热疲劳方面的适应性作用。研究结果表明，TiSiN/TiSiVN涂层在高速干式切削中具有显著潜力，其优越的机械-化学协同效应和耐磨性使其成为一种有前景的刀具涂层选择。

在高速切削应用中，AISI 316L奥氏体不锈钢因其出色的强度、生物相容性和耐腐蚀性而被广泛用于生物医学、石油化工和海洋工业。然而，特别是在干式切削条件下，其低热导率、高应变硬化能力和粘附磨损倾向使得加工变得极具挑战性。干式切削环境下，这些特性导致了高切削力、严重刀具磨损、不理想的切屑形态以及表面退化。因此，开发能够承受这些摩擦-机械负载的先进刀具材料和表面处理技术变得尤为重要。尽管使用切削液在环境和经济上具有优势，但它会加剧刀具与工件之间的界面应力。高界面温度和摩擦负荷会导致标准刀具的加速氧化、热软化、塑性变形和机械断裂。在干式切削中使用具有先进薄膜的切削刀具有助于提升切削性能和刀具寿命。在恶劣的摩擦条件下，这些涂层应具备低摩擦、高硬度、化学惰性和热绝缘性。

在针对干式切削的涂层研究中，TiAlSiN因其纳米复合微观结构和优异的热稳定性而受到广泛关注。TiAlSiN通常由结晶TiN晶粒嵌入在非晶态Si?N?和AlN基体中。这种结构增强了涂层的硬度、断裂韧性和抗氧化性。在高温操作中，Al会在涂层中氧化形成致密的Al?O?薄膜，这些薄膜作为扩散屏障，可以减少基体氧化和热降解。此外，非晶态Si?N?相通过细化晶粒结构和通过晶界强化来提高硬度。TiAlSiN的细柱状结构在PVD生长过程中形成，有助于其在高速、高负荷切削过程中对磨料和粘附磨损的抵抗能力。

尽管TiAlSiN具有这些优势，但它主要通过被动氧化膜的稳定性提供保护，无法在长时间的干式切削条件下动态适应变化的摩擦化学条件，包括周期性的热和机械负载。因此，TiSiN基纳米复合材料因其稳定的微观结构和非晶网络而受到关注，这些特性使其在热软化和硬度方面表现出色。其低热扩散性减缓了热量向刀具基体的渗透，从而提高了其在高速、高负荷切削中的性能。然而，TiAlSiN和TiSiN在主动自润滑能力方面仍存在局限性。通过将钒添加到TiSiN/TiSiVN多层结构中，可以突破这一限制。这些涂层结合了TiSiN的机械强度和钒氧化物的自适应摩擦化学作用。在高温下，V原子的氧化会生成低剪切强度的层状氧化物V?O?，这种氧化物在刀具-切屑界面提供固态润滑，从而降低摩擦系数和界面温度，同时延迟磨损的开始。在多层结构中交替使用TiSiN和TiSiVN层，还可以通过界面调节残余应力。这些界面作为扩散层和裂纹阻止器，能够阻止裂纹扩展，从而提高韧性。各层的弹性模量和硬度的定期变化进一步增强了其抗剥落和分层的能力。此外，钒的添加可以改变氧化动力学，从而更有利于生成V?O?而非其他非润滑氧化物，如通常在不锈钢加工过程中产生的Fe?O?。

在TiSiN/TiSiVN涂层中，结合被动（Al?O?、SiN?）氧化物生成与自适应（V?O?）氧化物生成，可以提供一种双模式的保护机制。被动氧化物作为化学和热屏障，而自适应的V?O?层则能动态响应温度升高，生成低摩擦界面。这种机制在整个刀具寿命期间提高了表面质量、切屑排出效率和摩擦学稳定性。最近的研究表明，含有较低钒含量的涂层可以降低磨损并提高刀具寿命。然而，这些涂层系统虽然具有潜力，但大多数评估基于单次切削测试或中断切削，无法合理模拟实际切削条件。在现实制造环境中，刀具会长时间运行，并因粘附、切屑负载和重复热循环而累积损伤。单次切削研究忽略了磨损机制的动态演变、氧化膜生成和化学变化在切削区中的过程。

因此，本研究重点考察了TiAlSiN和TiSiN/TiSiVN涂层在Al?O?/SiC陶瓷刀具上的性能，特别是在干式切削AISI 316L奥氏体不锈钢时的表现。实验设置为三次连续切削，以便更好地理解在不同切削速度下输出参数的变化情况。每次切削后，测量参数包括温度、凹痕和前刀面磨损、切削力、表面粗糙度和摩擦系数。

实验方法中，TiAlSiN单层和TiSiN/TiSiVN多层涂层通过半工业级TEER溅射机在DC反应磁控溅射条件下沉积。沉积过程开始于基底的准备，其中碳化钨刀具被超声波清洗以去除污染物，然后用氮气干燥并安装在真空室中。在沉积前，基底会进行氩气等离子体蚀刻以增强附着力。溅射室被抽真空至约9.0×10?? Pa，随后引入高纯度氩气（Ar）和氮气（N?）作为工作和反应气体。溅射室有四个磁控溅射靶，均匀分布在室直径上，每个靶的尺寸为380 mm × 175 mm × 10 mm，靶与基底之间的距离为150 mm。为了生成TiAlSiN涂层，独立的高纯度（99.9%）Ti、Al和Si靶被用于沉积。分别对Ti、Al和Si靶施加2500 W、2000 W和600 W的功率。TiSiN/TiSiVN多层涂层则在同一溅射室中使用独立的Ti（2500 W）、Si（600 W）和V（1800 W）靶生成。为了生成多层结构，V靶每隔5分钟开启和关闭一次。基底在DC脉冲电源下以600 V和250 kHz进行氩离子溅射蚀刻，持续40分钟。为了增强薄膜与基底的附着力，沉积了Cr中间层和CrN梯度层。Cr中间层通过35 sccm的Ar流量和2000 W的功率在10分钟内沉积。梯度层通过保持35 sccm的Ar流量，对Cr靶施加2000 W的功率，并逐渐增加氮气流量至18 sccm，持续10分钟来生成。第二个梯度层则通过逐渐降低Cr靶的功率，同时增加Ti、Al和Si靶或Ti、Si、V靶的功率，直到达到所需的功率值。所有沉积过程均使用40 sccm的Ar流量和18 sccm的氮气流量，并对不同靶施加相应的功率。基底旋转速度为10.5 rpm。在最终层的沉积过程中，对基底施加脉冲负偏压50 V（250 kHz）。

在干式切削条件下，进行了切削测试，以评估Al?O?/SiC陶瓷刀具在三次切削设置下的性能。刀具材料为未涂层、TiAlSiN涂层和TiSiN/TiSiVN多层涂层。主要目标是评估在高速干式切削AISI 316L奥氏体不锈钢时，切削力、表面完整性、切削温度和磨损机制的演变情况。实验设置如图2所示。

切削力的测量使用了三轴Kistler压电式测力计，能够获取切削力的切向、径向和轴向分量。每组力测量均在实时进行，并与切削速度的变化同步，切削速度范围从200到350米/分钟。详细的切削参数如表1所示。测量的切削力用于计算摩擦系数，公式如下：

摩擦系数（μ_ap）= (F_XZ + F_Y tanα) / (F_Y - F_XZ tanα)

其中F_Y为切削力，F_X为进给力，F_Z为推力力，F_XZ为等效推力力，α为正交前角（-8°）。

切削温度的连续监测使用了CT LT 15B3非接触式红外测温仪，直接对准刀具-切屑界面。温度读数在整个切削长度上取平均，以减少瞬态效应。表面完整性通过测量加工工件的平均表面粗糙度（R_A）来评估，使用Taylor Hobson接触式探针轮廓仪进行测量。为了确保统计的稳健性，每次切削后在每个加工样品上测量五次R_A值并取平均。为了保证实验的可靠性，每个切削条件重复三次，所有测量的响应，包括力、温度、粗糙度和磨损，均取三次重复的平均值，并计算和报告相应的误差条。

前刀面和凹痕磨损通过扫描电子显微镜（SEM）和能量散射X射线光谱（EDS）进行分析，以确定磨损区域的主要磨损机制和元素迁移模式。FESEM（Zeiss，Gemini 500）在5–15 kV下运行，工作距离为8–10 mm。元素分析使用SDD探测器（129 eV分辨率）。为了区分O和V，使用低电压（7–10 kV）的映射图来确定氧的存在，而V则通过其Kα峰（~4.95 keV）在15–20 kV下确认。拉曼分析在涂层刀具的切屑-刀具界面进行，以更好地理解不同氧化物的形成。拉曼光谱使用Renishaw inVia拉曼显微镜，在532 nm激光（在样品上功率为0.6–1 mW，50×物镜，~1–2 μm光斑）下记录。每个光谱收集10秒，并进行3次累积，光谱分辨率为~2 cm?1。

涂层的化学成分、机械性能、形态和结构如表2所示。两种涂层均表现出接近化学计量比的组成，氮浓度接近50原子%。硬度值非常相似，但TiAlSiN涂层的杨氏模量较高，这归因于其更紧凑的形态，导致元素之间的结合能较低。两种薄膜均表现出典型的柱状形态，柱状结构从中间层/梯度层延伸到涂层表面（见图3）。TiAlSiN薄膜的形态比TiSiN/TiSiVN薄膜稍紧凑，这与柱状末端的较小表面特征相对应。这种较高的紧凑性可能归因于对靶施加的更高总功率，这增加了溅射产量并促进了更多的原子到达生长的薄膜。较高的原子通量促进了更多的成核位点，从而形成更密集和紧凑的形态。在两种涂层中，可以观察到用于改善附着力的中间层。此外，在TiSiN/TiSiVN薄膜中，可以观察到周期厚度为52 nm的TiSiN（较亮的层）和TiSiVN（较暗的层）的多层结构。

图4展示了两种涂层的XRD衍射图谱。如预期，两种涂层均显示出属于fcc型结构的（111）、（200）和（200）晶面的多个强峰。Al应占据fcc结构中的置换位置。这与文献中Ti1-xAlxN涂层在铝浓度低于35原子%时总是产生NaCl型结构的结果一致。Si元素也应占据fcc结构中的固溶位置，并形成非晶态SiNx相，以产生nc-TiAlN/a-SiN4x纳米复合结构，如文献所述。这种纳米复合结构通常促进晶粒细化，并有助于提高硬度和杨氏模量。多层TiSiN/TiSiVN薄膜的衍射峰向更高角度偏移，这可能归因于Si在固溶中的存在，由于其原子半径比Al小，导致衍射峰向更高衍射角偏移。不同水平的压缩残余应力（未在本研究中测量）也会影响XRD衍射峰的位置。尽管Si在固溶中存在，但仍预计会形成非晶态SiNx。

图5展示了在不同切削速度下，三次连续切削中切削力（F_Y）的变化。切削力随着速度和切削次数的增加而逐渐上升，这一趋势反映了在干式切削AISI 316L不锈钢时，热负荷、刀具磨损和刀具-切屑界面摩擦的累积影响。对于未涂层刀具，切削力的增加最为显著。在200米/分钟时，切削力从第一次到第三次切削增加了约23%，在250米/分钟时增加了约27%，在300米/分钟时增加了约30%，在350米/分钟时增加了约32%。这种急剧上升对应于粘附磨损、热降解和刀具边缘的快速变形，特别是在没有任何摩擦保护的情况下。在不锈钢加工中，未涂层陶瓷的类似切削力上升模式已被Ginting和Nouari报告。

相比之下，TiAlSiN涂层刀具显示出更稳定的切削力变化。在相同的速度范围内，切削力的增加较为平缓：在200米/分钟时增加约18%，在250米/分钟时增加约22%，在300米/分钟时增加约25%，在350米/分钟时增加约28%。TiAlSiN涂层的增强热稳定性归因于致密Al?O?薄膜的形成，这减缓了热磨损的速度。然而，TiAlSiN涂层依赖于被动氧化保护，缺乏主动降低摩擦的能力，限制了其在长时间干式切削中的性能。相反，TiSiN/TiSiVN涂层刀具在所有速度下表现出最低且最稳定的切削力曲线。从第一次到第三次切削的F_Y增加仅约为12–15%，显著低于其他刀具。

图6展示了不同切削速度下，三次切削中平均摩擦系数（COF）的变化。在所有速度下，摩擦行为呈现出逐渐增加的趋势，不同刀具系统的性能差异显著。这些趋势与前面讨论的切削力行为密切相关，因为COF和切削力均受界面接触、粘附和热负荷的影响。对于未涂层刀具，COF从200米/分钟到350米/分钟增加了约20%。这种上升归因于刀具-切屑界面的材料附着积累、由于磨损导致的刀具-工件接触面积增加以及缺乏任何保护性氧化层。这与未涂层刀具的切削力上升趋势一致，该刀具由于切屑-刀具摩擦和刀具边缘变形而经历了相似的百分比增加。

TiAlSiN涂层刀具的COF增加较为温和，约为17%。相比之下，TiSiN/TiSiVN涂层刀具表现出最低的整体摩擦和最小的增加，仅从200米/分钟到350米/分钟增加了约13%。相对稳定的COF进展与该涂层的切削力趋势一致，该涂层在三次切削中仅增加了约15%的力。TiSiN/TiSiVN刀具的较低COF增加率突显了其在干式切削条件下的优越摩擦调节能力。这种摩擦学优势直接导致切削力降低、刀具温度降低以及表面质量提高，如温度和粗糙度结果所证实的。实际上，摩擦系数数据不仅反映了表面相互作用，还强化了刀具在连续切削过程中保持机械稳定性的能力。

表面粗糙度的变化如图7所示。表面粗糙度随着速度和切削次数的增加而稳步上升，这反映了刀具边缘几何形状的累积退化、切屑排出质量的下降以及摩擦学接触的恶化。对于未涂层刀具（图7a），R_A值显著上升，在200米/分钟时，从第一次到第三次切削增加了约38%，在300米/分钟时增加了超过45%。这些增加表明了边缘断裂、前刀面磨损和高温下工件材料的粘附。这种表面质量的恶化与切削力的上升（约30%）和摩擦系数的增加（约20%）平行，突显了在缺乏润滑的条件下，界面力学与表面光洁度之间的紧密关联。

TiAlSiN涂层刀具（图7b）表现出相对改善的表面质量。表面粗糙度在切削过程中增加了28–32%，其平均Ra值在300米/分钟时比未涂层刀具低约18%。然而，由于TiAlSiN涂层缺乏自润滑能力，其表面光洁度仍会随着热和机械负载的增加而退化，与前面观察到的切削力增加趋势相一致。TiSiN/TiSiVN涂层刀具（图7c）在表面质量方面表现出最佳结果。表面粗糙度的增加仅在18–22%范围内，显著低于其他刀具。如图7d所示，TiSiN/TiSiVN涂层在300米/分钟时的平均表面粗糙度比未涂层刀具降低了约30%，比TiAlSiN涂层降低了约14%。总体而言，表面粗糙度趋势与切削力和摩擦系数趋势一致，证实了TiSiN/TiSiVN涂层在连续磨损和热循环条件下维持拓扑完整性的能力。

切削温度的变化如图8所示。温度是干式切削中的关键因素，直接影响摩擦、切削力和表面光洁度。如预期，随着切削速度和切削次数的增加，温度呈上升趋势，这反映了热负荷的累积和刀具磨损的进展。对于未涂层刀具（图8a），温度的上升最为显著。在200米/分钟时，从第一次到第三次切削的平均温度上升了约22%，而在300米/分钟时，温度上升了近30%。这种上升主要归因于缺乏热屏障层，导致刀具边缘的快速软化、粘附增加和材料转移。这种现象与之前在高热干式切削中未涂层陶瓷的观察结果一致。

TiAlSiN涂层刀具（图8b）表现出改善的热调节能力。从第一次到第三次切削的温度上升被限制在17–20%的范围内。在300米/分钟时，平均切削温度比未涂层刀具降低了约10%。这种热控制与适度的表面光洁度提升（Ra降低了约18%）和摩擦系数的上升被限制在约17%的范围内，证实了TiAlSiN涂层在干式切削中对热诱导刀具失效的抵抗力更强。相比之下，TiSiN/TiSiVN涂层刀具（图8c）表现出最佳的热性能，其从第一次到第三次切削的温度上升仅限于12–14%。在300米/分钟时，其温度降低幅度约为18%，比未涂层刀具和TiAlSiN涂层刀具分别降低了约20–25%。因此，这种刀具表现出最低的平均摩擦系数（约13%的增加），最稳定的切削力（约15%的增加）和最小的表面粗糙度上升（约20%的增加），这证实了基于钒的摩擦化学适应性的协同热-摩擦优势。

通过SEM/EDS和拉曼分析，发现了影响磨损行为的关键氧化物组成——TiAlSiN中的Al?O?和TiSiN/TiSiVN中的V?O?。这些氧化物提供了化学稳定性和热屏蔽作用。在TiSiN/TiSiVN涂层中，V?O?的形成特别重要，因为其能够在高温下形成玻璃状润滑膜，降低剪切强度，从而在干式切削中减少摩擦并提高耐磨性。拉曼分析结果突显了TiSiN/TiSiVN涂层在摩擦学性能上的优势，其中V?O?不仅作为固态润滑剂，还抑制了磨料相互作用，缓解了刀具边缘的热软化。

切削力、表面粗糙度、切削温度和磨损特征之间的相互作用揭示了刀具在干式切削条件下的整体性能。切削力主要由刀具-切屑界面的摩擦和刀具边缘稳定性决定，随着速度和切削次数的增加而上升，特别是在未涂层刀具中，由于缺乏保护性氧化物和快速热降解，切削力的上升最为显著。相比之下，TiSiN/TiSiVN涂层刀具表现出显著较低的力上升，这归因于减少的界面摩擦。此外，多层结构有效重新分布应力并阻止微裂纹在界面处扩展，从而缓解涂层剥落并延长刀具完整性。这些力的减少直接转化为表面光洁度的改善，因为更平稳的切屑流动和更少的机械振动导致了更低的表面粗糙度值，TiSiN/TiSiVN涂层可将表面粗糙度降低约30%。同时，切削温度趋势与力和粗糙度行为相呼应；未涂层刀具中的高力导致了更高的热负荷，促进了氧化、边缘软化和刀具磨损。相反，TiAlSiN和TiSiN/TiSiVN涂层中的适应性氧化物（如Al?O?和V?O?）提供了热屏蔽，延迟了刀具软化并减少了温度上升，最高可达约25%。这些热和机械优势共同缓解了刀具磨损。前刀面磨损（VB）对累积热-机械应力敏感，未涂层刀具表现最为显著，而TiSiN/TiSiVN涂层刀具的磨损进展最小，约为40%，显著低于未涂层刀具（约90%）和TiAlSiN涂层刀具（约60%），这证实了多层裂纹偏转和基于氧化物的自润滑能力的优势。

综上所述，TiSiN/TiSiVN涂层在所有性能指标中表现出最佳效果，这归功于其自润滑能力的适应性。通过多层增强和基于钒的适应性氧化物的形成，TiSiN/TiSiVN涂层在摩擦、热和磨损控制方面实现了协同作用，从而在干式切削AISI 316L奥氏体不锈钢时展现出全面优势。所有结果的总体比较见表4。