【技术实现步骤摘要】
一种钛合金切削刀具表面纳米复合结构涂层及其制备方法
[0001]本专利技术涉及切削用刀具防护涂层领域,具体涉及一种钛合金切削刀具表面纳米复合结构涂层及其制备方法。
技术介绍
[0002]钛合金具有比强度高、比刚度高、耐热性能和抗腐蚀性能优良等特性,被广泛应用于现代国防、航空航天、汽车船舶、化学和生物医学等领域。但钛合金也是一种典型的难加工材料,即使在较低的切削用量下也容易出现切削区温升高、被加工表面质量差、切削刀具磨损严重等问题,极大地限制了钛合金零部件生产效率的提升和生产成本的降低。实现钛合金材料的高质量高效率切削加工是现代机械制造业关注的热点问题。
[0003]钛合金材料切削加工效率低下的主要原因包括以下四点。第一,钛合金变形系数小,容易引起较大的切削力,造成切削刀具崩刃。第二,钛合金弹性模量小,切削加工时容易出现较大的变形和弹性回复,进而引起被加工零件的剧烈振动,使得被加工表面质量变差和刀具磨损加剧。第三,钛合金导热性能差,容易引起热量聚集,导致切削区温升高,这不仅会加速刀具表面的氧化磨损,也会促进刀具材料和钛合金材料之间的元素互扩散,引发严重的粘着磨损甚至出现“粘刀”现象。第四,钛合金高温化学活性高,一方面,这会进一步加剧钛合金与刀具材料间的粘着现象;另一方面,还会使得钛合金材料易于在高温下与空气中的氢、氧、氮等元素发生反应形成硬化层,造成严重的冷硬状况。因此,增强钛合金切削刀具表面的力学性能和摩擦磨损性能,提升刀具表面高温抗氧化性能和抗粘着性能对提升钛合金材料的切削加工效率和延长刀具的使用寿命具有显 ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种钛合金切削刀具表面纳米复合结构涂层,其特征在于,所述涂层包括设置在刀具基底上的致密纳米晶结构金属连接层;在所述致密纳米晶结构金属连接层上设置的致密纳米晶结构陶瓷梯度过渡层;在所述致密纳米晶结构陶瓷梯度过渡层上设置的致密CrSiN纳米复合结构强化支撑层;在所述致密CrSiN纳米复合结构强化支撑层上设置多层周期功能层。2.根据权利要求1所述的钛合金切削刀具表面纳米复合结构涂层,其特征在于,所述致密纳米晶结构金属连接层为含有W的Cr基合金材料,微观结构为致密的纳米柱状晶或纳米等轴晶结构;和/或,所述致密纳米晶结构陶瓷梯度过渡层为含有W的、Cr和N呈梯度分布的CrN
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材料,微观结构为致密的纳米柱状晶或纳米等轴晶结构;和/或,致密CrSiN纳米复合结构强化支撑层含有W的CrSiN材料,微观结构为致密的非晶包裹纳米晶纳米复合结构。3.根据权利要求1所述的钛合金切削刀具表面纳米复合结构涂层,其特征在于,所述多层周期功能层是由若干交替沉积的致密CrSiCN纳米复合结构耐高温抗磨层和纳米微孔结构CrSiCN抗粘着减摩层组成的。4.根据权利要求3所述的钛合金切削刀具表面纳米复合结构涂层,其特征在于,所述致密CrSiCN纳米复合结构耐高温抗磨层为含有W的CrSiCN材料;所述纳米微孔结构CrSiCN抗粘着减摩层为含有W的CrSiCN材料。5.根据权利要求1所述的钛合金切削刀具表面纳米复合结构涂层,其特征在于,所述纳米复合结构涂层的总厚度为2
‑
10 μm;和/或,所述致密纳米晶结构金属连接层的厚度为30
‑
300 nm;和/或,所述致密纳米晶结构陶瓷梯度过渡层厚度为50
‑
500 nm;和/或,所述致密CrSiN纳米复合结构强化支撑层的厚度为1
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5 μm;和/或,所述多层周期功能层的厚度为1
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8 μm。6.根据权利要求4所述的钛合金切削刀具表面纳米复合结构涂层,其特征在于,所述多层周期功能层中,致密CrSiCN纳米复合结构耐高温抗磨层的厚度为10
‑
200 nm;单层纳米微孔结构CrSiCN抗粘着减摩层的厚度为10
‑
300 nm。7.一种钛合金切削刀具表面纳米复合结构涂层的制备方法,其特征在于,所述方法为等离子体增强非平衡磁控溅射法;包括:先对刀具基底进行表面预处理;再对刀具基底进行热丝等离子体辉光清洗;最后对刀具基底进行表面纳米复合结构涂层沉积;所述刀具基底表面预处理方法包括将刀具基底浸入金属清洗剂水溶液中清洗;再将刀具基底在去离子水中漂洗;接着将刀具基底浸入无水乙醇中超声清洗;最后利用压缩气体将刀具基底冷风吹干并置于干燥箱中烘干后装入镀膜腔室内;所述刀具基底的热丝等离子体辉光清洗方法包括:1)将镀膜腔室抽真空并缓慢加热;2)向镀膜腔室内通入氩气并控制镀膜腔室内的气压,进行刀具基底的热丝等离子体辉光清洗;
所述刀具基底表面纳米复合结构涂层沉积方法包括:致密纳米晶结构金属连接层沉积、致密纳米晶结构陶瓷梯度过渡层沉积、致密CrSiN纳米复合结构强化支撑层沉积和多层周期功能层沉积。8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述致密纳米晶结构金属连接层沉积方法包括:镀膜腔室加热温度为200
‑
500 ℃,工件架转速为5
‑
80 rpm,氩气流量为40
‑
90 sccm,镀膜腔室内的气压控制在0.2
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0.8 Pa,基体脉冲偏压幅值为50
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200 V、频率为20
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80 kHz、占空比为10
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90%,热丝放电电压为40
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200 V,热丝加热电流为10
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50 A,通过调节热丝加热电流使基体偏流为3
‑
10 A,Cr靶功率密度为2
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10 W/cm2,致密纳米晶结构金属连接层的沉积时间为2
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15 min;所述致密纳米晶结构陶瓷梯度过渡层沉积方法包括:镀膜腔室加热温度为200
‑
500 ℃,工件架转速为5
‑
80 rpm,氩气流量为40...
【专利技术属性】
技术研发人员:谢启,付志强,康嘉杰,朱丽娜,岳文,佘丁顺,
申请(专利权)人:中国地质大学北京郑州研究院,
类型:发明
国别省市:
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