鈦合金切削刀具涂層提供的改性作用及發展方向

鈦合金具有很好好的強度、韌性、延展性以及較好抗氧化性與耐腐蝕性。在航空航天、汽車、化工和醫療器械等領域得到廣泛應用。如何實現實現鈦合金的高速、高效切削加工，刀具是關鍵。涂層技術在切削刀具中得到越來越廣泛的應用，性能優異的涂層可以顯著改善刀具表面性能，提高其高溫硬度、隔熱性能、熱穩定性、沖擊韌性等，從而大幅提高刀具的切削速度和壽命。

由于鈦合金化學活性高，導熱系數低導致了切削過程中切削溫度高，化學反應劇烈，刀具快速失效，造成刀具壽命短，加工成本高的問題。刀具磨損的原因包括機械摩擦和切削力和切削溫度作用下的物理、化學反應。針對鈦合金切削加工的困難性，所選的刀具材料必須滿足硬度高、強度高、導熱系數大、化學穩定性和紅硬性好的要求。目前業內公認的加工鈦合金效果最好的金剛石刀具，但因其價格昂貴，因此硬質合金涂層刀具仍占據著鈦合金切削加工市場的主要地位。

傳統切削加工理論認為涂層刀具并不能適用于加工鈦合金，這是由于傳統的涂層大多為二元TiC或三元TiCN涂層，而涂層中的Ti元素極易與工件發生親和作用而導致刀具快速失效。Ezugwn等采用高速鋼基體的CrN和TiCN涂層與未涂層鎢鈷硬質合金刀具對TC4鈦合金進行了切削加工，研究表明CrN涂層刀具的使用壽命要長于TiCN涂層刀具和未涂層硬質合金刀具。同時研究了在同等切削條件下，使用單層TiN涂層和多層的TiN/TiCN/TiN涂層進行Ti6A14V鈦合金的切削實驗，結果表明多層的涂層刀具切削時產生的溫度要低于單層，同時刀具使用壽命也高于單層涂層。

硬質合金涂層刀具的未來發展方向：
（1）刀具涂層成分多元化。在單涂層中加入新的元素（如加入Zr和V會提高耐涂層磨損性，加入Si會提高涂層硬度并防止化學擴散，加入B會增強涂層韌性，加入Al和Cr會提高涂層抗氧化性等）制備出的多元刀具涂層材料，極大地提高了刀具的綜合性能。涂層材料也已從最開始的TiN、TiAlN、TiCN發展到現在的TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN、AlCrN、AlCrSiN、TiBN、CrN、ZrN等幾十種涂層材料。為了滿足切削加工中多樣化的需求，新的涂層材料還將具有極大的發展前景。
（2）切削加工綠色化。當前，我國機械加工中主要采用濕式切削法，即在金屬切削加工時，用切削液連續不斷的冷卻、潤滑刀具和工件相接觸的部分，但是大量使用切削液會造成環境污染問題，同時由于切削過程中切削液產生的油煙對人體直接造成危害，可能誘發多種疾病。而且從加工成本計算，切削液占總成本的14%~16%，刀具成本只占2%~4%。研究表明如果20%的切削加工采用涂層刀具干式加工，總的制造成本可降低1.6%。此外，采用高速干切削可大幅提高加工效率，提高加工精度，降低表面粗糙度，并且更適合于加工薄壁零件。因此無論從環保角度還是從加工性能以及經濟角度考慮，制造能滿足干式切削條件的涂層刀具是綠色加工的重要發展目標。

近幾年由于國外制備涂層的工藝和方法在不斷成熟與進步，使得刀具涂層成分逐漸趨于多樣化，甚至針對每一種工件材料都有一種最合適的涂層材料，而且出現了軟涂層、超硬涂層、多層涂層、納米復合涂層等性能更好的涂層，所以越來越多的涂層刀具已經被應用到鈦合金的高速切削工中，并顯示了良好的優越性。隨著“中國制造2025”的提出，制造業迎來飛速發展，鈦合金的應用會越來越多，對質量以及精度要求也會不斷提高，如何選擇合適的鈦合金切削刀具，提高加工效率、降低生產成本，對汽車、航空航天、能源的重要工業部門的發展和制造業整體水平的提高有重要的意義。