基于热-机械耦合与三阶段非线性磨损理论的TiAlN涂层刀具切削Inconel 718磨损演化预测

《Coatings》：Prediction of the TiAlN-Coated Tool Wear Evolution in Cutting Inconel 718 Based on Nonlinear Wear Theory with the Thermal-Mechanical Coupling Effect

　　

本研究在ABAQUS/Explicit中建立了涂层刀具正交切削的三维热-机械耦合有限元（FE）框架。该框架纳入Johnson-Cook（J-C）本构模型和温度相关修正Coulomb摩擦模型。研究人员在50、100和150 m/min切削速度下评估了未涂层WC-Co（碳化钨-钴硬质合金）、TiN（氮化钛）涂层和TiAlN（氮化钛铝）涂层刀具的瞬态机械与热响应。随后通过将Usui磨损方程与三阶段非线性磨损理论相结合，预测长期磨损演化。在所测试切削速度范围内，切削力和切削温度的预测误差保持在10%以内。TiAlN涂层在高应变率条件下降低了摩擦并限制热传导进入刀具基体。近场刀具温度降低4.0%～9.5%，在150 m/min时降低8.2%。与未涂层WC-Co相比，TiAlN在50、100和150 m/min下使模拟主切削力分别降低6.0%、5.6%和4.4%。切削实验获得5.0%～7.1%的力降低。在150 m/min干切削30 min后，模型预测未涂层WC-Co、TiN和TiAlN的后刀面磨损深度分别为0.398 mm、0.261 mm和0.235 mm。相对于实测后刀面磨损深度的相对误差为3.4%～4.7%。预测磨损演化与实验数据之间的小误差表明，所建立模型达到了较高预测精度。

研究背景：Inconel 718（镍基高温合金）广泛用于制造航空发动机涡轮盘、叶片和燃烧室等高温承载部件，其在700 °C以内可保持抗拉强度、屈服强度和耐蚀性。但该合金高Ni、Cr、Nb含量带来沉淀硬化的同时，也导致低热导率、显著加工硬化和对刀具材料的高化学亲和性，易造成切削区热积聚、高切削力、刀具磨损加速及加工表面质量下降。Inconel 718加工综述指出热管理与切削力控制是核心挑战。PVD（物理气相沉积）硬涂层可通过摩擦学和热物理性能降低刀-屑界面摩擦并抑制扩散磨损，TiAlN和TiN基单层及多层涂层是镍基高温合金加工常用体系。TiAlN在高温摩擦氧化下可形成低热导率富Al₂O₃表面膜，限制热传导进入基体；热保护不足时循环热-机械载荷可诱发微裂纹。数值预测仍存在两个缺口：多数热-机械有限元研究在单一低或中速下标定本构与摩擦参数，再外推至更宽速度区间；既有有限元磨损预测多在毫秒模拟窗口内采用经典Usui模型和恒定稳态磨损率，线性外推不能表征三阶段磨损轨迹，包括初期快速微崩刃和后期与涂层氧化或剥落相关的加速。为此，研究人员开展本研究。

研究开展与结论：研究人员建立了未涂层WC-Co、PVD TiN涂层和PVD TiAlN涂层刀具的三维热-机械耦合正交切削模型，并在50、100和150 m/min下用同步Kistler力测量及两类温度传感器验证；随后分析主变形区绝热剪切软化与第二变形区涂层热障相关的热分配，建立带涂层特定热失控临界时间的三阶段非线性Usui磨损模型，并与30 min干切削、3D光学轮廓和SEM-EDS（扫描电子显微镜-能谱仪）结果比较。结果表明模型切削力和温度预测误差低于10%，TiAlN相对未涂层降低实测切削力5.0%～7.1%、近场温度4.0%～9.5%，150 m/min 30 min后预测后刀面磨损与实测误差3.4%～4.7%，TiAlN预测磨损较未涂层降低41.0%。这些结果支持TiAlN在测试高速干切削条件下的选择，并为涂层依赖磨损比较提供热-机械响应与非线性磨损耦合依据。

关键技术方法（约250字）：采用ABAQUS/Explicit三维热-机械耦合有限元，结合J-C本构、温度相关修正Coulomb摩擦、Usui方程和三阶段非线性磨损理论。实验工件为商业级Inconel 718盘，外径100 mm、厚2 mm，标准热处理；刀具为ISO标准可转位硬质合金刀片NG3125R，包括未涂层WC-Co、PVD TiN和PVD TiAlN，涂层厚度均为2 μm，初始刃口圆角半径10.0±1.2 μm。干正交切削切深0.1 mm，速度50、100、150 m/min；Kistler 9129A三向压电测力仪以20 kHz采集主切削力；双色红外高温计测切削区峰值温度，嵌入式K型热电偶（距主后刀面1.5 mm、刀面下0.5 mm）测基体温度；共聚焦超景深显微镜、3D光学轮廓和SEM-EDS表征磨损；150 m/min、30 min磨损试验。切削力验证采用Devillez et al.同条件文献数据，温度验证采用Zhao et al.文献数据。

研究结果：
5.1 模型验证：通过50 m/min、切深0.1 mm、未涂层WC-Co的温度云图检查，最大温度区位于前刀面距刃口约0.1～0.2 mm，符合经典切削理论。
5.1.1 切削力验证：以Devillez et al.干切削实验数据为参考，模拟未涂层和TiAlN刀具稳定阶段平均力，50～150 m/min预测误差4%～7%；涂层刀具力降低幅度有限，与Reddy et al.和Sahoo et al.观察一致。
5.1.2 刀具温度场验证：与Zhao et al.在120 m/min、切深0.1 mm、2 μm Ti_0.55Al_0.45N涂层数据比较，刃口预测621.0 °C对629.0 °C、远端节点252.0 °C对283.49 °C，相对偏差1.3%和11.1%；热排序未涂层658.0 °C、TiAlN 621.0 °C对报告720.0和689.0 °C，差异8.6%和9.9%，两者均重现TiAlN较低温。差异与热电偶位置、绝热边界、1.5 ms窗口及TiAlN热导率名义值有关。
5.2 模拟结果分析
5.2.1 切削力：通过三维模拟稳态主切削力随速度变化，未涂层由516.5 N降至491.2 N和381.4 N，总降26.2%；TiAlN为485.4、463.8和364.5 N，降6.0%、5.6%和4.4%；TiN降4.2%、3.1%和2.9%，归因于热软化、低摩擦及TiAlN低热导使更多热留在切屑二次剪切区。
5.2.2 刀具温度场：通过温度场云图和升温曲线得出峰值温度限于前刀面近刃口；150 m/min峰值未涂层721 °C、TiN 691 °C、TiAlN 673 °C；准稳态近场平均温度未涂层595.6、658.1和682.9 °C，TiN降1.9%、7.2%和4.5%，TiAlN降4.0%、9.5%和8.2%；温度振荡与绝热剪切锯齿切屑相关。
5.2.3 涂层温度调控机制：通过刀-屑接触区温度场得出150 m/min切屑侧峰值TiAlN 942 °C、TiN 916 °C、未涂层893 °C，而TiAlN刃口温度最低673 °C，说明涂层限制热流入基体、更多热由切屑带走。
5.3 刀具磨损预测
5.3.1 Usui磨损率估计：通过主切削力、约0.2 mm接触长度和单位宽度估算正应力，并结合峰值温度代入Usui模型，得出Stage II稳态磨损率排序TiAlN＜TiN＜未涂层；150 m/min TiAlN为6.15×10^?3 mm/min，较未涂层8.42×10^?3降27.0%，TiN为6.76×10^?3降19.7%。
5.3.2 三阶段非线性理论磨损演化预测：通过将Stage II磨损率代入三阶段方程得出Stage I 0～3 min各刀具累积0.045～0.050 mm；未涂层t_crit≈15 min、30 min W=0.398 mm；TiN t_crit≈25 min、30 min W=0.261 mm，较未涂层降34.4%；TiAlN t_crit≈35 min、30 min仍处Stage II，W=0.235 mm，降41.0%。
5.4 实验验证
5.4.1 切削力实验分析：通过三刀具九条件模拟与实测比较，相对误差小于8.0%，未涂层5.0%～7.1%、TiAlN 5.2%～6.3%、TiN 5.8%～8.0%；实测力随速度下降，TiAlN最低，实测降7.1%、5.0%和5.7%对模拟6.0%、5.6%和4.4%；模拟值低于实测与刚体刀具假设忽略磨损及低速积屑瘤致前角动态变化有关。
5.4.2 刀具切削温度实验分析：通过热电偶和双色高温计比较，基体温度相对误差5.8%～7.3%，150 m/min未涂层实测499.2 °C对模拟463.5 °C、TiN 385.4对362.8、TiAlN 333.6对312.4；切削区峰值温度误差6.2%～8.1%，实测772.0、748.5和724.8 °C对模拟721.0、691.0和673.0 °C；偏移与1.5 mm视场含切屑内表面辐射及1.5 ms窗口未含刀柄长期加热有关，两者重现TiAlN＜TiN＜未涂层温度排序。
5.4.3 刀具磨损实验分析：通过150 m/min、30 min干切削及3D光学和SEM-EDS得出预测/实测后刀面磨损：未涂层0.398/0.412 mm误差3.4%，深沟和基体撕裂与Stage III一致；TiN 0.261/0.274 mm误差4.7%，局部涂层剥落与t_crit≈25 min进入Stage III一致；TiAlN 0.235/0.226 mm误差4.0%，磨损区均匀并与Stage II一致；实测和预测相对未涂层磨损降低45.1%和41.0%。EDS显示未涂层氧富集与Co粘结剂软化，TiN点Ti耗尽、W暴露和氧富集，TiAlN点Al-O富集且无W暴露，与保护性铝氧化物摩擦膜和Stage II一致；仅EDS不能确定晶相和价态。
5.4.4 切削力-温度-磨损耦合机制分析：通过数值与实验耦合分析得出涂层在Stage I/II降低界面摩擦并限制热传导，切屑带走更多热，刃口和基体温度降低，Usui模型中温度相关项exp(?B/T_K)降低预测磨损率并保存涂层几何；模型阶段持续时间依赖150 m/min的t_crit，未涂层15 min对应氧化和基体损伤，TiN约25 min对应涂层损失和基体暴露，TiAlN 30 min后仍保留连续Al-O表面，与Stage II及延迟至35 min以上一致。

讨论总结：数值和实验结果支持力、温度与磨损的耦合解释，涂层依赖热分配和表面退化连接短期切削响应与长期磨损演化。未涂层WC-Co出现严重基体损伤，TiN出现涂层分层，TiAlN保留相对完整Al-O表面，支持涂层依赖磨损排序；氧化物相身份和转变时间仍需进一步验证。未来工作拟通过ABAQUS/Explicit VUMAT子程序实现连续磨损几何更新，并采用XPS（X射线光电子能谱）、Raman（拉曼光谱）和TEM（透射电子显微镜）确定摩擦氧化表面膜相结构。

研究结论部分翻译：建立了Inconel 718干正交切削三维热-机械耦合有限元模型，并与三阶段非线性Usui磨损模型集成，结论如下。（1）在50～150 m/min，主切削力预测误差5.0%～8.0%，峰值切削区温度6.2%～8.1%，刀具基体温度5.8%～7.3%；速度由50增至150 m/min使未涂层WC-Co模拟力降26.2%，与材料热软化一致。（2）相对未涂层WC-Co，TiN降低模拟切削力2.9%～4.2%、近场温度1.9%～7.2%；TiAlN降低模拟力4.4%～6.0%、实测力5.0%～7.1%、近场温度4.0%～9.5%；150 m/min实测基体温度由499.2 °C降至333.6 °C。（3）150 m/min、30 min时模型预测后刀面磨损0.398 mm（未涂层）、0.261 mm（TiN）、0.235 mm（TiAlN），相对实测误差3.4%～4.7%，TiAlN预测磨损较未涂层降低41.0%；测试高速干切削下未涂层显示严重基体损伤，TiN显示涂层分层，TiAlN保留相对完整Al-O表面，支持涂层依赖磨损排序，但氧化物相身份和转变时间需进一步验证。未来拟通过ABAQUS/Explicit VUMAT实现连续磨损几何更新，并采用XPS、Raman和TEM确定摩擦氧化表面膜相结构。