MoS2合金化TiAlSiN自润滑涂层在Ti-6Al-4V干式粗车削中的切削性能与磨损抑制机制研究

《Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications》：Performance of MoS2-alloyed-TiAlSiN-coated cutting tools in dry turning of Ti-6Al-4V alloy

　　

钛合金切削过程中，刀具与工件界面存在高摩擦与高温问题，易导致刀具快速磨损与表面完整性恶化。传统切削液虽可缓解热损伤，但会引发不可逆化学反应，并带来购置、使用、废弃处理成本及环境与健康负担，因此干式绿色切削成为重要方向。研究人员采用磁控溅射（magnetron sputtering）在硬质合金刀具表面沉积MoS2合金化TiAlSiN薄膜（记为n:MoS2），用于Ti-6Al-4V干式粗车削。表征显示，引入MoS2后涂层硬度（H）约10 GPa、H/E约0.06基本维持，摩擦系数（CoF）由TiAlSiN的约0.16降至约0.13。切削实验中，n:MoS2涂层刀具切削温度更低且稳定，切屑流动更顺畅，后刀面磨损（VBB）约0.191 mm，较原始刀具（0.651 mm）降低约71%，较纯TiAlSiN涂层（0.239 mm）降低约20%。性能提升源于MoS2层状结构提供的有效自润滑及切削界面散热改善，表明该类涂层在钛合金高性能、可持续干式加工中具有应用潜力。

研究背景与问题提出：钛合金Ti-6Al-4V因比强度高、耐蚀性好被广泛应用，但导热性差、化学活性高，切削时刀具与工件界面易产生高摩擦、高温、粘着与积屑瘤，刀具磨损快。传统切削液虽降温但成本高、易污染、危害健康，且可能与加工表面发生不良反应，因此干式切削（绿色加工）受到关注。然而无切削液条件下硬质合金刀具易发生后刀面磨损、月牙洼磨损、粘着与塑性变形。研究人员据此提出：通过固体润滑剂合金化硬质涂层，赋予刀具自润滑能力，是兼顾干式加工与刀具寿命的关键路径。

研究开展与核心结论：研究人员在商用TiAlN涂层硬质合金刀片（DNMG110408E-ZM AH8015）上，用磁控溅射再沉积TiAlSiN与MoS₂合金化TiAlSiN（n:MoS₂）薄膜，系统表征其化学、微观结构、力学与摩擦学性能，并在Colchester Student 2500数控车床上对φ40 mm×170 mm的Ti-6Al-4V圆柱工件进行干式粗车削（V_c≈150 m/min，切深0.3 mm，进给0.2 mm/rev）。结果表明：少量MoS₂（约2.2 at.%）未明显削弱涂层硬度与弹性模量，但显著降低摩擦系数并形成稳定润滑膜；n:MoS₂刀具切削温度最低且波动小，后刀面磨损VB_B仅0.191 mm，较原始刀具降低约71%、较TiAlSiN涂层降低约20%，切屑更平整、表面粗糙度更低。意义在于证明了层状MoS₂与硬质TiAlSiN基体的复合可实现“硬支撑+软润滑”协同，为难加工材料干式切削提供可工程化的涂层方案。

主要关键技术方法：研究人员采用磁控溅射沉积薄膜；用轮廓仪测膜厚，场发射扫描电镜（FE-SEM）与能谱（EDS）分析微观形貌与成分；用拉曼光谱与X射线光电子能谱（XPS）解析化学键合与MoS₂物相；用纳米压痕测硬度H与弹性模量E；用往复摩擦试验测摩擦系数；在数控车床上开展变切削距离干式车削，用手持红外热像仪测刀工界面温度，用光学显微镜与FE-SEM观测磨损形貌、切屑形貌与后刀面磨损VB_B，并依据ISO 3685:1993判定刀具失效。

研究结果

涂层性能（Properties of the coatings）：通过厚度、成分、拉曼、XPS、纳米压痕与摩擦试验，研究人员确认n:MoS₂涂层保留TiAlSiN的致密“花椰菜状”纳米结构，Mo以2H-MoS₂层状结构存在；硬度约10 GPa，H/E与H³/E²与TiAlSiN相当，摩擦系数由0.16降至0.13且更稳定，说明MoS₂赋予自润滑而不牺牲力学性能。

Ti-6Al-4V干式粗车削（Rough machining of Ti-6Al-4V）

加工表面完整性（Machined surface finish）：粗车进给较大形成刀痕脊谷，n:MoS₂加工表面粗糙度最低（约0.235 μm），优于原始刀具（0.301 μm）与TiAlSiN涂层（0.255 μm），反映刀具磨损更轻。

切削温度（Cutting temperature）：红外测温显示原始刀具界面温度最高（约452 ℃），TiAlSiN居中且随切削距离升高，n:MoS₂最低且平稳（约370–399 ℃）；MoS₂降低界面剪切与摩擦热，并促成Al₂O₃、SiO₂、MoO₃等稳定润滑/隔热 tribofilm（摩擦化学膜）。

切屑形貌（Chip morphology）：n:MoS₂切屑锯齿间距减小、卷曲趋平、rake面划痕少，说明界面摩擦低、热软化减弱、排屑更顺，切削过程更稳定。

磨损机制（Wear mechanisms）：原始刀具以严重月牙洼、粘着、崩缺与积屑瘤导致灾难性失效（VB_B=0.651 mm）；TiAlSiN与n:MoS₂涂层以粘着、积屑、涂层剥落与塑性变形为主，但n:MoS₂后刀面磨损最小（S6为0.191 mm），长切削距离下仍无严重积屑与基体裸露，证明固体润滑膜持续减摩抗磨。

讨论与结论翻译：讨论指出，MoS₂合金化未破坏TiAlSiN力学骨架，其层状滑移与摩擦化学成膜共同抑制界面高温与粘着，使干式切削中刀具热控制、切屑行为与磨损抗性同步提升。结论如下：

1. 1.
   在TiAlSiN中引入2.2 at.% MoS₂可在保持硬度约10 GPa、H/E约0.06的同时，将摩擦系数由约0.16降至0.13，实现低含量固体润滑改性。
2. 2.
   n:MoS₂涂层在Ti-6Al-4V干式切削中给出最低且最稳定的切削温度，证实层状MoS₂可有效抑制摩擦生热。
3. 3.
   切屑锯齿间距随界面温度下降而减小，表明低摩擦促进剪切局部化与切屑顺畅流动，改善加工表面质量。
4. 4.
   n:MoS₂后刀面磨损仅0.191 mm，较原始刀具与TiAlSiN涂层分别降低约71%与20%，显著延长干式切削刀具寿命。
5. 5.
   涂层刀具失效由粘着、积屑、剥落与塑性变形共同主导，而n:MoS₂凭借自润滑 tribofilm 大幅缓解灾难性磨损；该研究证明MoS₂合金化TiAlSiN是难加工钛合金干式高效切削的优选涂层体系。