基于刀具基体表面等离子体/激光织构的TiAlN涂层膜基界面强化机理研究

With the rapid growth in proportion of PVD TiAlN coated tools in high performance cutting of difficult-to-machine materials, the adhesive strength of TiAlN coatings becomes the key issue for high-efficiency and high-quality difficult-to-machine materials cutting processing. In this project, to address the problems about the adhesive strength of TiAlN coatings, the technical idea of processing textures on the coating substrate surface by plasma etching assisted laser is proposed，and then the concept and research approach of improving the adhesive strength of TiAlN tool coatings by plasma/laser substrate texturing are put forward. The research contents include: 1. the design model of TiAlN coatings with a textured substrate surface is constructed, and the effects of processing parameters on the structural parameters of textures and adhesion properties of substrate surface are studied. 2. the forming mechanism, process and control strategy of TiAlN coatings deposited on plasma/laser textured surface are studied. The matching relationship model between TiAlN coatings and textured substrate is established to reveal the interfacial bonding mechanism between TiAlN coatings and plasma/laser textures. 3. the interfacial damage and the coating crack evolution of TiAlN coated tool with a plasma/laser textured substrate surface are studied under dry cutting conditions, and the interfacial enhancement mechanism is revealed. This project will provide theoretical foundation for the design and development of TiAlN tool coatings with high adhesive strength.

物理气相沉积(PVD)TiAlN涂层刀具在难加工材料高性能切削中有巨大的应用需求，而涂层膜基结合强度成为制约其高性能切削难加工材料的关键问题。针对TiAlN涂层刀具膜基结合强度问题，本项目从改善膜基界面的物理结合和化学键合出发，提出刀具基体表面等离子体/激光织构化增强TiAlN涂层结合强度的研究思路。研究内容包括：①构建TiAlN涂层基体表面织构的设计模型及其基于等离子体辅助激光的加工工艺，研究加工参数对织构结构参数及基体表面附着性能的影响规律，实现基体表面织构的可控制备；②建立TiAlN涂层与织构化基体的匹配关系模型，研究织构表面沉积TiAlN涂层的成形机理、工艺和调控策略，获得高膜基结合强度的基体表面织构化TiAlN涂层刀具；③研究织构化TiAlN涂层刀具在干切削条件下界面损伤行为，揭示其膜基界面强化机理。为发展新型PVD涂层膜基结合界面强化方法及提高涂层刀具寿命提供重要理论基础。

物理气相沉积(PVD)TiAlN涂层具有硬度高、耐磨性强、抗高温氧化性好等特性，将其作为耐磨涂层沉积在传统硬质合金刀具表面可大幅提高难加工材料的切削效率和加工质量。在发达国家，TiAlN涂层刀具已占涂层刀具总量的20%左右，且呈上升趋势。但由于膜-基间不同键合类型、热膨胀系数、润湿性能等，在高接触应力和热应力的切削条件下，TiAlN涂层刀具首要问题是膜基结合强度不足，导致其在切削过程中涂层提前剥落失效。因此，膜基结合强度的增强成为了TiAlN涂层刀具在难加工材料高性能切削应用中亟待解决的关键问题。本项目针对TiAlN涂层刀具的膜基结合强度，通过具有改善膜基间物理化学吸附的加工方法实现基体表面规则微织构的可控制备，研究开发基于刀具基体表面织构的高膜基结合强度TiAlN涂层，并从膜基间物理结合和化学键合界面角度揭示其界面强化机理。本课题的开展为发展新型增强PVD刀具涂层结合强度方法提供了重要的理论基础，为PVD涂层基体表面织构化的研究和制备开辟了新方法。主要研究成果如下：.1）构建了感应耦合等离子体辅助飞秒激光复合微加工工艺，并建立了复合加工过程中微凹坑轮廓演变模型。研究了加工工艺参数对表面织构结构参数及基体材料特性、表面状态的影响规律，实现了TiAlN涂层基体表面织构的可控制备。.2）为分析各预处理对基体表面物理与化学性能的影响，在基体表面做如下四种不同的处理，结果表明，通过基体表面等离子体辅助激光织构化预处理，可使基体为涂层提供更优的机械锚固作用，增加涂层与基体的化学匹配性，增加基体表面比表面积和表面能。.3）对上述四种不同预处理硬质合金基体表面沉积TiAlN涂层，并进行纳米划痕试验和干切削316L奥氏体不锈钢试验。研究发现，与常规涂层试样（临界载荷：80.52N）相比，等离子体辅助激光织构化涂层刀具试样（临界载荷：112.64N）的膜-基结合强度得到了显著提升。根据膜-基界面学理论和涂层附着机理，揭示了考虑物理结合和化学键合的基体表面等离子体辅助激光织构化TiAlN涂层刀具膜-基界面强化机理。