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磁控溅射TiAlTaN/TaO/WS复合涂层及其钛合金的切削性能

691 编辑：中冶有色网来源：杜菲菲,李超,李显亮,周尧尧,阎庚旭,李国建,王强

2024-04-17 08:59:57

钛合金的比强度高、耐腐蚀和高温性能优异，广泛用于航空航天、生物医学和石油化工等领域[1] 钛合金是典型的难加工材料，其高化学反应活性使切削时易粘结，低导热系数使切削时升温过高[2] 在切削钛合金刀具表面镀耐磨涂层，是目前提高切削刀具寿命的常用方法三元TiAlN涂层中的Al在切削时生成热稳定性较好的Al2O3层，使涂层的抗氧化温度达到800℃，具有较高的硬度和高温抗氧化性能，是目前应用较为广泛的涂层[3] 目前，采用多弧离子镀制备的商用TiAlN涂层摩擦系数较高，达到0.8以上[4] 高摩擦系数使涂层与被加工件产生较高的摩擦热，且随着切削速度的提高而增加切削速度为50 m/min时刀刃处的温度为700℃，切削速度提高到100 m/min升至900℃[5] 切削温度过高，使硬质合金刀具材料与涂层和被加工材料之间发生原子互扩散，刀具组织结构的变化使其力学性能降低[6] 切削温度较高时极容易生成硬度高于被加工材料的切屑瘤，在加工件表面产生刮擦而降低加工质量[7] 同时，切削温度过高使刀具发生热软化使其硬度降低，在加工过程中涂层容易剥落而产生沟槽磨损[8] 因此，降低涂层摩擦系数是解决切削热使涂层失效的关键为了降低涂层的摩擦系数，已经开展了许多有针对性的研究[9] 类金刚石(DLC)涂层，是摩擦系数约为0.1的固体润滑涂层 DLC涂层的摩擦系数较低，但是其残余应力较高、韧性差较和在高温容易氧化分解[10] MoS2和WS2的摩擦系数较低，但是在高温下MoS2比WS2更容易分解低成本的WS2具有六方晶体层状结构，较弱的层间范德华力使界面处容易发生滑移因此，将WS2与硬质涂层复合，可制备出摩擦系数低于0.3的耐磨涂层[11,12] 磁控溅射制备的TiN-WS X /TiN多层涂层，其摩擦系数和磨损率约为纯TiN涂层的30%[13]，但是其硬度较低(5 GPa) 同时，涂层与基体之间结构和硬度的不匹配使其结合力较低因此制备兼具低摩擦系数和高结合力的硬质涂层，是一个亟待解决的问题鉴于此，本文以TiAlTaN作为耐磨层、TaO层作为低粘结层以降低被加工件与涂层间的粘结作用，WS层作为低摩擦系数层，用磁控溅射方法制备TiAlTaN/TaO/WS低粘结与自润滑功能复合涂层，研究这种功能复合对涂层形貌、摩擦系数、力学性能和钛合金切削性能的影响 1 实验方法1.1 复

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