采用粉末冶金方法制备的层状功能梯度316L/Distaloy AB复合材料，对其进行了加工、性能表征以及基于微量化润滑（MQL）的机械加工研究

《Engineering Science and Technology, an International Journal》：Fabrication, characterization, and MQL assisted machining of layered functionally graded 316L/Distaloy AB composites by powder metallurgy method

　　尤瑟夫·阿拉明·A·艾哈迈达 | 马希尔·阿克贡 | ???? ??? ???
?????, ???, ???? ???, 78050 ????, ??

**??**
? ??? ?????? ?? ??? ?? ??? ?? 316L/Distaloy AB ???? ?? ? ?? ??, ??? ??? ??(MQL) ?? ?? ?? ???? ???? ?????. ?? ??? ?? ??, ?? ???(Ra), ?? ??, ??? ??, ? ?? ?? ??? ???? ?????. ?? ??, ?? ???(316L/Distaloy AB)? ???? ?? ?? ?? ??? ?? ?? ??? ??? ?? ?? ??? ????. ? ?? ??????(316L/Distaloy AB/316L ? Distaloy AB/316L/Distaloy AB), ????? ???? ???? ?? ???? ?? ???? ?? ??? ???? ??? ???. ??, ?? ??? ?? ???? MQL ?? ???? ??? ? ?? ?? ??, ?? ???, ?? ??, ?? ??? ?? 16%, 25%, 25%, 20% ??? ??? ????. ???, MQL ??-?? ??? ??, ??, ?? ?? ????? ????? ?? ??進行? ????? ?????. ??? ????-??? ?? ?????? ?? ???? ??? ??? ??? ? ??? ??? ?? ?? ???? ??? ????, ?? ?? ???? ?? ??? ?? ?? ??? ????.

**1. ??**
??? ??? ?? ???? ??? ?? ?? ? ????(PM)? ?? ?? ??? ?? ??????. ???? ?? ?? ???? ??? ????, ??? ??? ??? ??? ??? ?? ??? ???? ??. ??? ????, ? ???? ????? ?? ??? ?? ????? ??? ??? ?? ??(FGM)? ??? ???? ???. ?? ?? ??? ??? ??? ???? ?? ??? ??? ??? ??? ? ?? ????[1], [2], [3], [4]. ?? FGM ??? ?????? ?? ???? ???, ??? ??, ?????? ???? ?? ????[5]. 316L ??????? ??? ? ??? ??? ?? ???? ?????? ???, ??? ???? ???? ????? ??? ????? ?? ????[6], [7]. ??? Distaloy AB? ??, ??, ????? ??? ?? ?? ? ???, ?? ? ?? ??, ???, ????? ????[8]. ? ? ??? ??? ?? ?? ??? ???? ?? ??? ?? ???? ??? ???? ??? ??? ? ??. ??? ???? ??? ????? ???? ???? ??, ??? ???, ?? ?? ???? ??? ??? ??. ????? ?? ??, ? ??, ?? ???? ???? ??? ? ???, ? ?? ??? ?? ??? ??? ?? ??? ???? ??[9], [10]. ??? ??? ?? ??? ???? ????? ? ?? ?? ??? ??? ??, ?? ???? ????? ?? ??? ?? ??? ???? ?? ??? ?? ??? ????[11], [12].

?????? ??? ??? ?? ??? ? ?? ?? ? ??? ??? ???? ???, ??, ??? ??? ?????? ?????. FGM? ???? ? ??? ??? ?? ?? ? ??? ??? ??? ??, ?? ? ???? ??? ?? ? ?? ???, ??? ???? ?? ??? ?? ??? ???? ?? ??? ? ??? ??? ???? ??[13], [14], [15], [16]. ?? ?? FGM? ??? ????? ???? ??, ??? ??, ? ??? ?? ????? ?????. ?? ????? ????? ??? ?? ???? FGM? ???? ?? ??? ?????. ?? ??, ??? ?? Al–4.5Cu ?? ???? ????? ?? ???? ? ?? ??? ??? ??? ??? ?? 6? ??? ?????. ?? Al7075/SiC ? Al/SiC FGM? ??? SiC ??, ?? ?? ??, ? ??? ??? ??? ????[9]. ??, 4? Al–Distaloy AB ??? ? ?? ???? ??? ?? ?? ??? ???[17]. ?? ????? TiC ? TiB ??? ??? ?? Ti–6Al–4V ???? ?? ?? ????? ???? ????? ?????. TiC ?? ???? TiB? ??? ????? ??? ?? ???? ? ?? ??? ????[18]. ?(Shu) ?? ????? ???? Fe–4Ni–3Cr–0.5Mo–0.5C/Fe ? 410/304L? ?? ? ?? ?? ?? ???? ??????, ?? ?? ??? ????, ????, ?????? ?? ?? ??? ????? ??? ????[11]. ????(Albahlol) ?? ?? ??? ?? ??? ??? ?? 316L/Al2O3 ???? ???? ? ?, ? ?, ? ?, ?? ?? ?? ??????, ? ?? ???? ?? ??? ?? ??? ???[1]. ????(Muhamed) ?? ?? ??? ?? ?? ??? ?????? ?? ?? ??? ?? ??? ?? ???? ?? ???? ????? ???? ?????? ??????, ?? ??? ??? ??? ?????[19]. ?(Guo) ?? ???(MF)? ???(Magnetic field + Acoustic field)? ??? ??? ?? ?? ???? ??? 316L ?????? ? WC ?? ???? ????? ??? ??? ??? ??? ?????. ??? ??? ??? ??? ?? ??? ???? dislocation ??? ??? 316L ??????? ?? ??? ?? 777 MPa, ???? 57.5%?? ?????? ???. ??? WC/316L ?????? ???? ?? ?? ???? ????? ??????? ???? ?? ??? ?????[20]. ????(Canpolat) ?? ????? ???? SS316L/Al2O3 ??? ?? ??? ??????, ???? ??? ???? ?? ??? ???? ?? ?????[21]. ??, ?? ??(co-compaction), ?? ??(activated sintering), ?? ?? ?? ??(self-propagating high-temperature synthesis, SHS)? ?? ???? ?? ??? ?? ???? ??? ?? ??? ??? ? ????? ?????[16]. ???? ????? ?? ??? ??? ??? ? ?? ?? ?? ??? ??????, ?? ??? ?? ???[1], [13]. FGM??? ? ?? ???? ?? ??? ??, ??, ??? ?????? ???? ?? ?? ????? ???? ? ??[22]. ?? ????? ?? ?? ??, ?? ??, ?? ????? ??? ??? ?? ???? ?? ??? ????? ? ????[18].

?? ?? ??? ??? ?? ?? ?? ??? FGM? ??? ?? ??? ??? ?? ???? ???? ?? ?????. FGM? ??? ??, ????, ??? ?? ?? ??? ???? ??? ?? ???? ? ????. ?? ?? ?? ??? ????? ?? ??? ??, ?? ?? ??, ? ???? ?? ??? ???? ??. ?? ??? ?? ?? ??? ??? ??? ???? ?? ??? ?? ??? ??(MQL)? ?? ?? ?? ??? ?? ? ???? ??. ?? ??, ?(Wang) ?? ??? ??(MQL) ??? 3D ???? Ni–Fe FGM? ???? ?? ???? ?? ??(?? ??? ? ?? ?? ???)? ??????, ?? ?? ??? ??? ?? ??? 40.1% ??? ?? ??? ????? ????? ?????[23]. ????(Oyelola) ?? ?? ??? ?? direcioned energy deposition?? ??? ??? ?? Ti6Al4V/WC ??? ?? ??? ??????, ?? ?? ???? ?? ???? ???? ??? ?? ?? ???? ??? ??? ???? ?? 40% ????? ?????. ?? ?? ???? ???? ??? ??? ??? ????[24]. ?(Noh) ?? ?? ??? ???? ??? ??? ?? SAE 316L/Inconel 718 ??? ???? ? ?? ??? ??????, ?? ??? ?? ??? ?? ?? ???? 70.5 N?? ???? ???? FGM? ?? ?? ??? ?? ??? ??? ?????[25].

**2. ?? ? ??**
**2.1. ???? ???? ?? ? ?? ?? ??**
? ????? 316L/Distaloy AB ?? ??? ??????? ?????. ? 1? 316L ? Distaloy AB ?? ??? ??? ?? ??? ????. ?? ?(???) 316L ? Distaloy AB ??? ??? ??(??) ??? ???? ? ??? ??? ??? ??? ?????. ?? 1?由于K型热电偶嵌入的距离为1毫米，远离加工区域，因此记录的温度代表了接近切削区的值，而不是真实的工具-切屑界面温度。由于通过多孔粉末冶金微观结构的热传导以及热电偶系统的有限响应时间，一定程度上的热滞后和空间平均是不可避免的。因此，测量值应被解释为接近切削区域的整体温度，而不是瞬时界面温度。然而，由于所有实验中的传感器位置、孔的几何形状和数据采集参数都保持不变，不同切削速度和润滑条件之间的相对比较仍然是一致且可靠的。因此，由于传导效应或传感器响应特性的任何系统偏差预计会对所有测试条件产生类似的影响。相关的测量不确定性被认为在可接受的范围内，适用于比较分析。切削区的温度数据是使用Pico数据记录器与PicoLog 8通道数据采集软件一起记录的。铣削实验期间的功耗是使用Lutron DW-6095-3三相功率分析仪确定的。分析仪的电流夹具连接到机床的三个相位上。平均功耗是通过计算设备从铣削过程开始到结束所记录的数据来计算的。此外，振动测量是使用Digiducer 333D01压电加速度计在工件上刚性安装来进行的。为了确保传感器的安全放置，在工件上钻了直径为3毫米的螺纹孔，并使用螺丝附件将传感器刚性固定。信号以10 kHz的采样率采集，并带有内置的抗混叠滤波。加速度幅度计算为RMS（均方根）值，以表示铣削操作期间的有效振动能量。每次铣削实验后，使用Mahr Perthometer M1设备和基于非接触光学测量原理的Zygo ZeGage光学轮廓仪评估加工表面的粗糙度。Zygo ZeGage系统基于白光干涉（WLI）技术，能够高分辨率地获取表面的三维地形图。对于每个样品，在进给方向的三个不同扫描区域进行测量。使用轮廓仪软件分析了算术平均表面粗糙度（Ra）、峰谷高度（Rz）和三维表面参数。3. 结果与讨论3.1. 微观结构分析和机械性能对基于粉末冶金的分层功能梯度复合材料进行了拉伸测试和详细的微观结构表征。图2显示了316L/Distaloy AB样品的拉伸曲线，而表3总结了密度、孔隙率和拉伸强度的结果。拉伸结果的检查表明，Alloy III（双层样品）的拉伸强度高于单体样品。然而，在延展性方面，Alloy III（双层样品）的延展性低于Alloy I（316L），但高于Alloy II（Distaloy AB）。这表明多层配置在强度和延展性之间达到了一个中间平衡。此外，对分层样品（Alloy III、IV和V）的孔隙率值的分析显示，增加层数会导致孔隙率增加。尽管如此，双层Alloy III的最大拉伸强度仍大于单体Alloy I和Alloy II。下载：下载高分辨率图像（115KB）下载：下载全尺寸图像图2. PM钢样品Alloy I（a）、II（b）、III（c）、IV（d）和V（e）的拉伸曲线。表3. 拉伸、密度和孔隙率结果。成分UTSE延展率（%）理论密度（g/cm3）实验密度（g/cm3）密度%孔隙率（%）316L263 ± 923.57 ± 0.77.957.1189.4310.57Distaloy AB306 ± 718.83 ± 0.57.8957.188891.058.95316L- Distaloy AB333 ± 620.42 ± 0.57.92257.132590.039.97316L- Distaloy AB-316L301 ± 918.48 ± 0.67.93166.952087.6512.35Distaloy AB-316L Distaloy AB283 ± 59.42 ± 0.87.9137.026788.811.2这表明界面强化的机械优势超过了孔隙率的缺点。正如预期的那样，当层数从两层增加到三层时，观察到了孔隙率的增加，伴随着拉伸强度和延展率的显著降低。孔隙率与机械性能之间的这种反比关系与文献[26]、[27]中的先前发现一致。先前的研究表明，粉末冶金加工过程中形成的孔隙率会导致密度降低，从而影响钢材的强度、延展性和整体机械性能。如图3所示，微观结构观察确认了烧结结构中存在微孔。这是粉末冶金生产材料的典型特征，是由于单轴冷压和烧结过程中粒子致密化不完全所致[28]。对微观结构图像的检查显示，316L不锈钢样品的晶界清晰可见。在Distaloy AB微观结构中，观察到了铁素体、珠光体和贝氏体相的共存。平均层厚约为1400微米。对层间过渡区的评估表明，这些区域的孔隙率低于基体材料，平均厚度约为35微米。对于双层结构（Alloy III），过渡区内孔隙率的减少和相对于Alloy I的密度增加被认为是提高拉伸强度的主要因素。相比之下，三层材料（Alloys IV和V）中观察到的明显密度变化被认为导致了拉伸强度的降低。事实上，文献报告称密度的减少会对机械性能产生不利影响，目前的发现与先前的研究一致[1]。下载：下载高分辨率图像（2MB）下载：下载全尺寸图像图3. 分层功能梯度复合材料的微观结构图像。图4和图5展示了EDS点和线分析结果。成分数据表明存在元素富集区域，这可能表明形成了类似沉淀物的结构，可能包括碳化物或碳氮化物，如CrC、MoC和CrMoC(N)。然而，应该注意的是，SEM-EDS提供的是元素信息，而不是确定的晶体相识别。因此，这些特征被解释为成分富集的颗粒，而不是明确识别的沉淀物。先前使用SEM、XRD和TEM的研究在基于粉末冶金的不锈钢中报告了类似的沉淀行为[29]、[30]。这些类型的微观结构特征通常与强化机制有关，如分布硬化和晶粒细化[31]、[32]。例如，Erden等人报告称，通过粉末冶金生产的Nb–Al微合金钢展示了由XRD分析确认的NbC(N)和AlN沉淀物，而SEM-EDS验证了它们在基体中的分布以及沿晶界的分布[33]。这些发现表明，EDS检测到的Nb和Al富集区域可以与这些沉淀相合理关联。对基础合金的SEM观察和表3中给出的密度结果显示，316L的结构比Distaloy AB更具多孔性。这种行为主要归因于316L中合金元素（如Ni、Cr和Mo）的浓度较高，这些元素会阻碍烧结过程中的扩散并促进孔隙形成，这与先前的粉末冶金研究一致[34]。如图5所示，线扫描EDS结果确认了分层样品界面处的冶金结合，没有明显的不连续性，而层间的逐渐成分过渡预计会减少应力集中并改善载荷传递。下载：下载高分辨率图像（603KB）下载：下载全尺寸图像图4. 单层样品的SEM点EDS分析：(a) Alloy I (b) Alloy II。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图5. PM钢样品的SEM线EDS图像：(Alloy I (a)、II (b)、III (c)、IV (d) 和 V (e))。图6、图7、图8展示了拉伸测试后的断裂表面形态。316L样品的断裂表面包含许多凹陷，这是延性断裂的特征。相比之下，Distaloy AB样品展示了解理面，表明了脆性断裂行为。分层复合材料显示出混合断裂模式，其中延性和脆性特征共存，反映了各层内的局部材料成分和孔隙率分布。图像显示，不同层中的凹陷和解理面的分布不同，表明多层结构内的断裂形态是异质的。这种异质断裂形态与应力-应变结果一致，反映了分层设计的微观结构梯度。下载：下载高分辨率图像（505KB）下载：下载全尺寸图像图6. 单层成分的断裂表面图像。(Alloy I (a) 和 Alloy II (b)); (1000 ×)。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图7. 在不同放大倍数下的Alloy III断裂表面图像（100x (a)、500x (b) 和 1000x (c)）。下载：下载高分辨率图像（566KB）下载：下载全尺寸图像图8. 三层成分的断裂表面图像。(Alloy IV (a) 和 Alloy V) (1000 ×)。总之，沉淀被认为是次要的强化因素，而密度和孔隙率被认为是控制316L/Distaloy AB多层复合材料机械性能的主要参数。3.2. 切削温度图9显示了在干式和MQL辅助加工粉末冶金分层功能梯度复合材料时测量的切削温度分布。在干式和MQL条件下获得的切削温度分布清楚地表明，MQL技术在铣削操作过程中提供了显著的热管理改进。与干式切割相比，MQL始终导致更低的峰值温度和所有切割参数的波动减少，表明工具-切屑界面的热环境更加稳定。在MQL下观察到的温度降低可以归因于雾化油-空气混合物的协同冷却和润滑作用[35]。悬浮在压缩空气中的细小油滴在工具-切屑和工具-工件接触区形成一层薄边界层，最小化了直接金属接触，减少了摩擦，并促进了从切削区域的热对流传递[36]。因此，产生的热量分布更均匀，散发得更有效。下载：下载高分辨率图像（302KB）下载：下载全尺寸图像图9. 在干式和MQL辅助加工分层功能梯度复合材料时测量的切削温度分布。因此，MQL加工减轻了切削边缘上的过度热量积累，从而延缓了工具材料的热软化和氧化[37]。这些效果共同导致了工具寿命的延长、表面完整性的改善、更好的尺寸精度以及与干式切割条件相比更强的工艺可持续性。对温度数据的评估显示，MQL辅助铣削相比干式切割平均切削温度降低了约16%。这一显著的降低突显了MQL在散热和稳定热场方面的优越能力。所有切割速度下温度的一致降低表明，MQL的有效性不仅限于特定的切割范围，而是贯穿整个操作范围。此外，在MQL条件下观察到的较窄的误差条反映了较低的变异性和更可预测的热行为。目前的发现与许多先前研究的结果一致，这些研究强调了MQL相比干式加工所提供的优越热控制。例如，Bagherzadeh和Budak报告称，在Ti6Al4V和Inconel 718的车削过程中，MQL显著降低了切削温度，切割环境对观察到的热量产生变化有重大贡献[38]。同样，?irin等人在MQL条件下展示了工具-切屑界面温度和切削力的显著降低，将这些改进归因于润滑的增强、边界膜的形成以及热对流的改善[39]。在本研究中检查的五种合金中，Alloy III表现出最高的拉伸强度，这直接对应于干式和MQL环境下的最高切削温度。这种相关性可以通过以下事实来解释：具有较高拉伸强度的材料需要更大的剪切应力来启动和维持切屑形成。较高的抗塑性变形机械阻力增加了机械功转化为热量的程度，特别是在工具-切屑界面处，摩擦和粘附占主导地位[40]。因此，更多的切削能量以热量的形式表现出来，产生局部热点并提高了切削区域内的整体温度。观察到的趋势与众所周知的原则一致，即切削温度与材料强度和硬度成正比增加，特别是当热软化和摩擦滑动是主要的能量耗散机制时[41]、[42]。这突出了在加工高强度合金时采用自适应冷却策略（如MQL）的重要性，这些合金容易受到热损伤和工具磨损的加速。本研究表明，分层功能梯度316L/Distaloy AB复合材料在加工过程中的热行为不仅受材料强度的影响，还受到粉末冶金加工固有的微观结构异质性的影响。在微观结构检查中观察到多孔的、局部化的孔隙，尤其是在某些富含316L的区域。此类残余孔隙可能会导致加工过程中热导率和接触稳定性的局部变化。虽然高强度区域由于抗塑性变形能力增强而产生较高的热负荷，但微结构不连续性（如残余孔隙）的存在会通过中断均匀的热流进一步加剧局部热量积聚[25]。在这种情况下，微量润滑（MQL）仍然是一种有效且环保的技术，可以有效调节温度上升并稳定切削区的热机械响应。研究结果表明，在MQL条件下，平均切削温度降低了约16%。这一改善归因于摩擦热生成的减少以及刀具-切屑界面处热调节的增强。

3.3. 表面粗糙度
图10显示了通过粉末冶金法制造的多层功能梯度复合材料在干切削和MQL辅助切削条件下测得的表面粗糙度分布。从图10可以看出，加工表面质量明显受到润滑条件和材料特性的影响。在所有合金和切削参数范围内，MQL切削始终产生比干切削更低的平均表面粗糙度（Ra）值，这证实了其生成更光滑、更均匀表面的优越能力。MQL条件下表面粗糙度的降低归因于形成了由细小油滴组成的薄润滑膜，该润滑膜有效降低了刀具-工件和刀具-切屑界面处的摩擦系数[35][43]。这种边界膜减少了粘附和积边（BUE）的形成，促进了更清洁的剪切过程，并抑制了加工表面上的微不规则性[44]。

相比之下，干切削缺乏润滑和冷却的好处，导致高摩擦、局部粘附以及由于温度引起的材料软化而导致的表面层间歇性撕裂。实验结果表明，根据合金和切削速度的不同，MQL辅助铣削可使平均表面粗糙度降低约25%。在较高切削速度下，这种改善尤为明显，因为摩擦热和切屑-刀具接触的综合作用增加了干切削条件下的表面损伤倾向。例如，?zbek和Saruhan报告称，在车削AISI D2钢时，MQL使表面粗糙度相比干切削提高了高达89%[45]。图11展示了在280 m/min的切削速度下，干切削（a, c, e）和MQL（b, d, f）条件下加工Alloys I、III和V后的表面拓扑图像。在MQL条件下，界面温度的降低和稳定润滑膜的存在抑制了振动引起的刀具痕迹，并稳定了切屑流动，从而获得了更细腻且更均匀的表面形貌[46]。除了润滑效果外，孔隙率在决定基于粉末冶金法的合金的表面完整性方面也起着关键作用。图12显示了在280 m/min的切削速度下，通过微量润滑（MQL）加工功能梯度316L/Distaloy AB复合材料时获得的表面扫描电子显微镜（SEM）图像。在当前合金组中，特别是在316L富集区域观察到的较高孔隙率直接影响了加工后的表面粗糙度。在切削过程中，次表面孔隙作为微孔洞削弱了局部材料支撑，导致材料过早拉出、边缘碎裂和局部塑性不稳定。这些机制促进了不规则的材料去除，从而导致表面凹凸度的增加。相比之下，具有更高致密性的区域（如双层结构中观察到的区域）在切削过程中表现出更均匀的材料流动。改进的颗粒间结合和减少的孔隙体积增强了塑性连续性，从而形成了更光滑的切屑和更稳定的切削过程。因此，较低的孔隙率水平通过改善表面生成机制有助于降低表面粗糙度。此外，在层状结构中，各层间孔隙分布的异质性可能导致切削力和振动幅度的波动，进一步影响表面光洁度[47]。由于相对密集的微结构和增强的冶金结合，过渡区域的孔隙率较低，因此预计这些区域会提供更好的表面完整性。

总之，在干切削条件下，由于缺乏能够减少摩擦热和稳定变形区的润滑介质，表面缺陷变得更加明显。相比之下，MQL润滑通过降低切削应力和调节切屑-刀具相互作用力来减轻这些不利影响。因此，MQL切削改善了表面形貌，同时有助于延长刀具寿命、提高尺寸精度和整体工艺的可持续性[48]。因此，当前研究结果表明，MQL作为一种技术和环境上都有优势的替代方案，特别是在切削多孔粉末冶金合金时，其中摩擦和热不稳定性更为关键。

3.4. 加速度幅度
图13显示了通过粉末冶金法制造的多层功能梯度复合材料在干切削和MQL辅助切削条件下测得的加速度幅度分布。在两种情况下都观察到了随着切削速度的升高而增加的振动幅度趋势。这一趋势可以归因于作用在切削工具和工件界面上的动态力的增强，因为更高的切削速度放大了激发能量并降低了系统的阻尼能力[49]。因此，机械系统在高速下更容易受到再生颤振和强迫振动的影响[50]。在干切削条件下，所有速度范围内的振动幅度都一致高于MQL辅助切削。当切削速度超过140 m/min时，这种效应尤为显著，此时工件材料的热软化和刀具磨损加速。润滑的缺失导致刀具-切屑界面处的摩擦加热和粘附增加，从而引起间歇性接触和切削力的波动[51]。这些条件加剧了刀具偏转和振动幅度，恶化了尺寸稳定性和表面光洁度。Khan等人也报告了类似的结果，他们指出干切削不锈钢时容易促进颤振[52]。相比之下，微量润滑（MQL）在所有切削速度下显著抑制了振动幅度。MQL产生的细油雾提供了边界润滑和局部冷却，减少了切削区内的摩擦电阻和热梯度[53]。这层薄润滑膜减少了金属间的直接接触，从而稳定了刀具-工件相互作用并减弱了振动响应。在90–120 m/min的中等速度范围内，振动幅度的降低尤为明显，MQL条件下的加速度幅度比干切削条件低约20%。这些发现与先前的研究结果一致，表明MQL通过改善摩擦学条件和减震效果提高了铣削操作的动态稳定性[54][55]。此外，通过MQL实现的改进热控制有助于减少刀具磨损，从而导致更稳定的切削行为[56]。总之，结果显示，尽管由于动态力的增加，振动幅度会随着切削速度的增长而增加，但应用MQL显著减弱了这种不利效应。通过降低摩擦加热和稳定接触力，MQL有助于提高工艺稳定性、改善表面完整性和延长刀具寿命。

3.5. 能量消耗
图14表示了在干切削和MQL辅助切削条件下，切削功率和特定能量消耗随切削速度的变化情况。结果清楚地表明，切削参数和润滑策略对铣削过程的能量行为有显著影响。值得注意的是，相对于干切削，应用MQL可以显著降低能量消耗，反映了热控制和加工效率的提高。在干切削条件下（图14 a和b），能量消耗随着切削速度的增加而总体上呈上升趋势。在较低切削速度下，大部分能量因严重的塑性变形和粘附摩擦而转化为热能。在适中速度下，由于工件部分软化，能量消耗可能会有轻微减少，但超过大约140 m/min后，能量需求急剧增加。这种在较高切削速度下的上升可以归因于刀具磨损、粘附和积边形成的加剧，这些因素导致不稳定的切屑流动和扭矩波动[57]。干切削条件下观察到的较大误差范围反映了瞬时功率的大幅变化，表明这与摩擦加热、刀具颤振和振动相关的不稳定切削状态有关。这种不稳定性不仅增加了能量消耗，还加速了刀具退化，从而破坏了加工效率和表面完整性。MQL辅助切削（图14 c和d）在所有切削速度下都表现出显著更低的能量消耗。细油雾在刀具-切屑界面形成的边界润滑膜大大减少了剪切摩擦并改善了热耗散[35]。

这种润滑和局部冷却的结合使得切屑形成更加光滑，切削力降低，扭矩需求减少。在中等至高切削速度范围内，MQL下的能量减少尤为显著，而干切削往往承受过大的热负荷。在这个范围内，MQL的特定能量消耗比干切削低约25%。总之，比较分析清楚地表明，就能源效率和工艺稳定性而言，MQL的性能优于干切削。摩擦减少、热管理改善和切削动态稳定的综合效应使MQL能够在不牺牲表面完整性或刀具寿命的情况下实现更低的能量消耗。结果表明，铣削过程中的能量消耗对润滑策略和切削速度非常敏感。干切削的特点是摩擦能量损失高、热不稳定和功率信号波动，而MQL辅助切削则表现出更高的能源效率和机械稳定性。通过大幅降低平均和峰值能量需求，MQL有助于实现高效和可持续的制造实践。

3.6. 工具磨损评估
本研究中的工具磨损评估是通过基于SEM的定性形态观察进行的，而不是通过标准化的定量磨损测量协议。图15展示了在干切削和MQL辅助条件下加工后获得的代表性SEM图像。这些图像用于比较解释切削环境的摩擦学响应。在干切削条件下，观察到更明显的粘附层、微碎屑和磨料沟槽。这些特征通常与刀具-切屑界面处的较高摩擦相互作用和局部热积累有关[58]。相比之下，MQL条件下使用的工具显示出相对更光滑的磨损形态，粘附痕迹较少，边缘退化也不那么严重。这种差异归因于润滑油-空气薄膜的存在，该薄膜可能减缓了摩擦并稳定了切削界面。粉末冶金合金的孔隙率似乎也影响了观察到的磨损形态。根据表3，在其他孔隙率增加的合金中（与Alloys II和III相比），SEM图像显示刀具表面有更明显的微裂纹和磨料特征。工件内的孔隙和氧化物夹杂物可能在切削过程中作为局部不连续性，从而加剧了磨料相互作用。正如先前的研究所证明的，孔隙率与烧结或增材制造材料的工具磨损加速之间存在明显的相关性[59]。

总之，基于SEM的观察表明，润滑策略和材料孔隙率都会影响工具磨损行为。MQL辅助切削导致的磨损形态比干切削轻微，而孔隙率的增加则促进了磨料相互作用。尽管没有实施定量的磨损评估方案，但定性评价结果一致支持了温度、粗糙度和能耗变化的趋势。因此，实现了更低的切削温度、更优的表面质量以及更低的能耗，这与先前关于在微量润滑（MQL）条件下工具寿命延长和刃缘磨损减少的研究结果[44]、[60]、[61]高度一致。

4. 结论
本研究全面探讨了通过粉末冶金技术制备分层功能梯度复合材料（LFGC）的方法、材料特性以及微量润滑辅助加工工艺。以下总结了研究的主要发现：
- 分层功能梯度316L/Distaloy AB复合材料通过粉末冶金技术成功制备，其层间具有无裂纹且冶金结合良好的界面，同时层内的成分过渡平滑。
- 在所有配置中，双层复合材料的极限抗拉强度最高，表明界面诱导的载荷传递和沉淀硬化效应有效弥补了由于孔隙导致的强度降低。
- 增加层数（316L/Distaloy AB/316L和Distaloy AB/316L/Distaloy AB）会导致更大的微观结构异质性以及残余孔隙率的轻微增加，从而不利于抗拉强度的提升。
- 微量润滑辅助加工显著改善了热控制效果，与干切削相比，所有切削速度下的平均切削温度均降低了约16%。
- 在微量润滑条件下，表面粗糙度明显降低，平均降低了20–25%，尤其是在高切削速度下，干切削过程中容易发生粘附和积屑现象。
- 在两种加工环境下，振动幅度均随切削速度的增加而增大；然而，微量润滑使振动幅度的增加幅度减少了10–20%，表明动态稳定性得到提升，颤振倾向降低。
- 微量润滑辅助加工的比能耗比干切削降低了15–25%，这归因于摩擦损失的减少、切削力的稳定以及切屑形态的改善。
- 刀具磨损图像显示，干切削过程中的粘附和磨损现象更为显著，而微量润滑辅助切削过程中的磨损特征相对较轻。
- 结合粉末冶金功能梯度技术和微量润滑辅助加工工艺，为高性能不锈钢复合材料提供了一种可行且可持续的制造方案，有助于提高材料的可加工性、延长工具寿命，并降低环境影响。