AlTiN、TiN以及AlTiN/TiN涂层在提升通过增材制造工艺制备的切削工具的摩擦力学性能和加工性能方面的效果

《Surface and Coatings Technology》：Effectiveness of AlTiN, TiN, and AlTiN/TiN coatings for enhanced tribo-mechanical and machining performance of cutting tool fabricated by additive manufacturing

　　

Pritam Patra|Sagar Sarkar

印度德里印度理工学院机械工程系，新德里，110016，印度

摘要

传统切削工具的制造方式存在几何灵活性有限以及材料利用率低的问题。激光粉末床熔融技术为一种很有前景的替代方案，它能够以高尺寸精度和优异的微观结构，逐层制造出近乎成品状态的切削刀具。在本研究中，使用PBF-LB技术制造了18Ni-300马氏体时效钢切削刀具，随后通过物理气相沉积技术为其涂覆TiN、AlTiN以及多层AlTiN/TiN涂层，首次研究了涂层结构与基体状态对刀具力学性能、摩擦学性能以及加工性能的影响。在经过抛光的PBF-LB基体上涂覆AlTiN的刀具表现出最佳的整体性能，其硬度高达34.26 GPa，摩擦系数仅为0.36，比磨损率为0.693×10^?6 mm³/Nm。划痕粘附测试显示涂层的完整性很高，临界载荷分别为Lc?=27.46 N、Lc?=63.06 N和Lc?=86.39 N。在对Al6061合金进行的干式车削实验中，经过优化的AlTiN涂层刀具相比未涂层刀具，切削力降低了约60%，表面光洁度提升了约42%，耐磨性提高了约80%，同时还减少了积屑层的形成。这些研究结果凸显了增材制造技术与涂层技术相结合在开发用于新一代加工应用的高性能切削工具方面的巨大潜力。

引言

随着航空航天、汽车制造以及精密工具等领域的发展，人们对高性能切削工具的需求日益增加。这类工具需要在恶劣的加工条件下仍具备更高的耐用性、更好的表面光洁度以及更低的环保影响。现代加工工艺日益复杂，对其性能要求也越来越高，这使得传统切削工具的制造方法暴露出诸多局限性。这些传统方法往往缺乏设计灵活性以及材料利用效率，难以制造出具有内部通道或复杂几何结构的工具，而这些结构对于提升工具的结构性能和功能性能至关重要[1]。增材制造技术，尤其是激光粉末床熔融技术，是一种利用高功率激光根据3D CAD模型，选择性地熔合铺设在成型平台上的金属粉末层的技术。这种逐层制造的方法使得复杂的内部结构——如顺应性冷却通道、晶格结构以及拓扑优化设计——成为可能，而这些都是传统方法难以实现的[2]。Matos等人[3]展示了带有内部顺应性冷却通道、更多切削齿以及可更换的中空刀体的增材制造铣刀的可行性，这类刀具在功能和材料利用效率方面都有所提升。还有研究对比了通过直接金属激光烧结和选择性激光熔化制造的带内部冷却装置的切削刀具的尺寸精度，结果表明选择性激光熔化制造的刀具表面光洁度更好[4]。Sergey等人[5]则设计了另一种混合结构刀具，其刀柄为传统制造方式，而刀头则通过增材制造技术制成。此外，也有大量研究致力于利用选择性激光烧结和选择性激光熔化等增材制造技术来制造碳化钨钴合金[6][7]。[8][9]以及[10][11]。传统上通过热压和钎焊制造的磨具虽然密度高、孔隙率低，但会限制切屑和冷却液的流动。人们通过增材制造技术制备出了含有金刚石颗粒的多孔镍钛基磨具，从而提升了冷却液的渗透效果和材料去除效率[12]。类似地，Singh等人[13]也利用增材制造技术在高速钢基体上制备了WC–Co涂层，用于铝合金的车削加工，这类涂层提升了切削效率，降低了切削力，还增加了剪切角度，这可能是由于工件更容易发生热软化以及切屑形成方式得到了改善。在通过选择性激光熔化技术制造的M2级高速钢钻头中，多种相的协同作用以及优异的微观结构使其具备了出色的力学性能[14]。Jindrich等人[15]报道了三种可用于在IN718材料加工过程中实现有效冷却的增材制造切削刀具方案。Kellen等人[16]则提出了一种新方法，可以在切削工具的不同表面上沉积不同材料，从而让同一把工具能够用于多种不同的加工任务。

马氏体时效钢（18Ni-300等级，M300）因其出色的强度、韧性以及可热处理性而非常适合用于制造工具。该合金与PBF-LB工艺有着良好的兼容性，这得益于其优异的微观结构以及较低的碳含量[17][18][19]。通过选择性激光熔化技术制造的1.2709级马氏体时效钢立铣刀需要经过后续加工才能获得更高的精度和更锋利的刃口[20]。Lakner等人[21][22]对比了传统制造的AISI-1.2709铣刀与增材制造出的同类铣刀，发现增材制造出的铣刀磨损更少，使用寿命比传统铣刀长67%，且切削力相近。在通过PBF-LB技术制造的AISI-1.2709切削刀具中，研究人员研究了三种不同的内部通道设计，经检测，这类刀具具有较为精细的胞状马氏体微观结构，硬度很高，非常适合用于加工任务[23]。还有用增材制造技术制成的用于外星环境作业的挖掘工具，在模拟的极端环境下也展现了更高的硬度和更优异的切削性能[24]。尽管增材制造出的马氏体时效钢能够提供坚固的基体材料，但通过施加硬质涂层，仍可显著提升切削工具的使用寿命和表面性能。物理气相沉积技术被广泛用于沉积耐磨涂层。氮化钛涂层以其较高的硬度和耐磨性而广为人知，但其抗氧化性能较差，在高温下会因生成TiO?而出现性能下降的情况[25]。近期的研究则着眼于引入硅或铝等其他元素，作为传统二元氮化物的替代品。铝钛氮化物涂层由于能形成稳定的Al?O?摩擦氧化物层，因此具有显著更高的高温性能，这种氧化层能够提升材料的热稳定性和抗氧化能力，使其在900–1000℃的温度下仍能保持良好性能[26]。AlTiN/TiN多层涂层则可以通过在界面处重新分配应力，进一步提升刀具的抗断裂能力[27]。这种硬软相交替的层结构还能增强刀具抵抗裂纹扩展和分层的能力，因此非常适合作为切削工具的涂层材料[28][29]。

人们已经对经过物理气相沉积涂层处理的刀具在干式以及高速加工条件下的性能进行了大量研究。在304不锈钢的干式车削加工中，AlTiCrN物理气相沉积涂层的表现优于TiN/TiAlN和AlTiN涂层，由于这类涂层具有更好的热量传递性能以及更稳定的氧化层结构，因此能够延长刀具使用寿命并降低切削力[30]。同样，在SS304材料的超高速车削加工中，基于Al??Ti??成分的AlTiN涂层由于具有最佳的切屑排出效果以及更高的硬度以及更强的粘附力，因此能够实现最长的刀具使用寿命[25]。具有纳米多层立方结构的AlTiN涂层硬度可超过31 GPa，同时兼具更好的韧性和粘附力，因此在加工SUS304材料时，其比磨损率最低，能够带来更优异的切削性能以及更长的刀具使用寿命[27]。在加工DSS2205材料时，采用S3p技术沉积的AlTiN涂层相比TiN/TiAlN多层涂层，具有更高的粘附强度和更高的高温硬度，因此能够实现更长的刀具使用寿命以及更好的耐磨性[28]。就表面光洁度而言，由于AlTiN涂层具有更平滑的表面形态以及更优异的热稳定性，因此能够实现更低的表面粗糙度并降低切削力[26][31][32]。现有文献表明，此前尚未有研究专门探讨过涂层对用于加工任务的增材制造切削刀具性能的影响。虽然涂层技术和增材制造技术都已被单独研究过，但它们二者协同对刀具性能的影响至今仍未得到充分研究。

本研究首先设计并利用PBF-LB工艺制造了由马氏体时效钢（M300）制成的切削刀具刀片。随后，通过物理气相沉积技术为这些刀片涂覆了TiN、AlTiN以及AlTiN/TiN涂层，以此提升其表面性能。本研究主要分析了施加在增材制造刀具刀片上的各类涂层在微观结构、摩擦学性能以及力学性能方面的表现。在分析完相关数据后，研究者选择了AlTiN涂层，并报告了在铝合金Al6061的加工过程中，涂有AlTiN涂层的M300刀具的加工性能。本研究的成果可为增材制造涂层刀具的进一步应用和改进提供重要参考，有助于推动高性能刀具技术在先进加工领域的应用发展。

章节节选

切削刀具刀片的设计与制造

本研究中所使用的切削刀具刀片为负三角形结构的刀片（ISO编号为TNMP160408FLRP），其切削刃长度为16毫米，刀尖半径为0.8毫米，名义厚度为4.76毫米。该刀片采用了特殊的断屑槽设计（见图1b），这种设计使得切削刃的前角为正值，从而能够降低切削力，非常适合用于精加工操作或轻负荷加工操作。这类刀片的制造是采用PBF-LB工艺（设备型号为M290，制造商为EOS GmbH），所用材料为18Ni-300等级的马氏体时效钢。

结构与成分分析

PBF-LB工艺中的快速凝固过程会使M300材料形成细腻的胞状马氏体结构（见图1c），与经过锻造处理的材料相比，这类材料的位错密度更高，晶粒也更细小[17][18][19]。这样的结构提升了材料的硬度、耐磨性以及抗裂纹扩展的能力。此外，合金元素在材料中的均匀分布使得材料在时效处理过程中能够持续析出Ni?(Ti,Al)相，进而提升材料的峰值硬度以及韧性[35]，因此这类材料的性能要优于传统制造方法制成的材料。

结论

本研究探讨了涂层结构以及基体状态对通过PBF-LB工艺制造的M300马氏体时效钢的力学性能、摩擦学性能以及加工性能的影响。基于上述研究内容，可以得出以下结论：

• 1.
  通过PBF-LB工艺制造的M300材质刀片表面粗糙度存在各向异性，沿着水平成型方向和垂直成型方向的表面粗糙度Ra值分别约为0.5μm和9μm。在如此粗糙的基体表面进行物理气相沉积涂层处理后

作者贡献说明

Pritam Patra：负责原文撰写——包括初稿撰写、数据可视化、结果验证、研究方法设计、实验研究、正式数据分析、数据整理以及研究概念的构建。Sagar Sarkar：负责原文的审阅与编辑工作、数据可视化、项目监督、软件使用、资源协调、项目管理工作，同时还负责研究方法的设计以及项目资金的筹集工作。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者们要感谢Nallapu Vyas先生在实验以及数据分析方面提供的帮助，同时也感谢Ojasvi Sharma女士在扫描电子显微镜成像工作中给予的支持。此外，作者们还要感谢德里印度理工学院的研究中心以及机械工程系所提供的各种机械性能和金属学性能分析测试设施，这些设施为这项研究的开展提供了重要支持。作者们还要对Citadel Securities India Markets Private Limited以及Syrma SGS Technology Limited表示感谢。