电射流打印仿生织构复合涂层提升304不锈钢干式切削性能研究

本文推荐一种创新性电射流微打印（EHD）技术，通过构建(CFx)n/CaF2/C–ZrO2/TiO2软硬复合仿生织构涂层，显著改善YT15刀具在304不锈钢干切削中的润滑失效（降低切削力15.22%）与界面结合强度（提升38.3%）。该技术突破传统沉积方法局限，实现鲨鱼皮/穿山甲鳞片等生物纹理的精准构筑，为高性能刀具涂层设计提供新范式。

　　

Highlight

本研究亮点在于通过电射流掩模印刷技术，在YT15硬质合金刀具表面构建了三种仿生纹理（树蛙趾垫/鲨鱼皮/穿山甲鳞片）的(CF_x)_n/CaF₂/C–ZrO₂/TiO₂软硬复合涂层。与传统无织构涂层（LT）相比：

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  鲨鱼皮纹理（ST）：在50-100 m/min切削速度下，切向切削力（F_c）降低6.76%-10.54%，润滑失效载荷提升38.3%

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  穿山甲鳞片纹理（PT）：在150-200 m/min高速区间表现最优，F_c降低8.52%-15.22%，刀尖温度下降6.2%-11.24%

Materials

实验采用尺寸16×16×4.5 mm的抛光YT15硬质合金刀具（株洲硬质合金公司），通过激光切割304不锈钢制备三种仿生图案掩模。关键创新在于：

1. 1.

   硬质相ZrO₂/TiO₂形成ZrTiO₄固溶体增强机械强度

2. 2.

   软质相(CF_x)_n与CaF₂/C协同，在25-300℃实现稳定润滑

Morphology and microstructure

SEM显示：

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  无织构涂层（LT）厚度7.86 μm，表面粗糙度S_a≈3.75 μm

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  仿生织构涂层（HT/ST/PT）呈现清晰生物图案，硬质相Zr元素分布验证纹理精度达微米级

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  软质相通过毛细作用定向填充纹理间隙，界面结合强度提升2.1倍

Conclusions

电射流打印技术成功突破传统涂层（如电弧蒸发/磁控溅射）的图案精度限制，实现：

1. 1.

   非破坏性基材处理

2. 2.

   软硬相机械互锁结构

3. 3.

   动态润滑剂再分配功能

   该策略为苛刻工况下的刀具涂层设计开辟了新途径。