摘要
Ti6Al4V（TC4）合金是钛合金中最常用、最典型的合金。钛合金作为关键材料最先应用于航空发动机的风扇、压气机、蒙皮和起落架等部分，具有广泛的应用市场。同时，TC4合金属于典型的难切削材料，其难加工问题一直困扰着制造业，主要由于在切削加工钛合金时温度较高；容易产生加工硬化；与刀具材料产生高化学亲和力；塑性大，加工时难以断屑。这极易降低刀具使用寿命，所以这亟待通过技术的变革以提高用于切削加工钛合金的刀具的性能。目前，用于切削加工钛合金的最普遍的刀具材料仍然是WC-Co硬质合金。大多数提升硬质合金的性能的方式主要是通过细化硬质相和强化粘接相。然而，在切削加工钛合金过程中，粘接相Co容易因Ti元素的扩散而导致与硬质相的粘接强度下降，造成刀具崩刃。此外，粘接相Co在高温切削环境下易发生氧化、软化等不良现象，切削行为表现不佳。因此，需要通过调控粘接相成分以达到提高WC-Co硬质合金的切削性能的目的。有研究证明Ru可以提高Co基和Ni基高温合金的高温稳定性，这为调控硬质合金粘接相的成分找到了思路来源。本文研究了Ru对WC-Co硬质合金微观组织、基础力学性能的影响。同时，本文利用PVD涂层技术，将PVD TiAlCrSiN涂层涂覆在已优化成分后的硬质合金材料上，研究其涂层与基体的匹配行为。最后，针对钛合金TC4的切削实验，系统地研究未涂层和涂层后的含Ru硬质合金刀具在不同切削速度下（65m/min、85m/min、105m/min）的切削行为（包括切削力、切削温度、刀具磨损行为表现、工件表面粗糙度）和磨损机制。 通过与未含Ru的硬质合金相比较，证明了Ru可以抑制WC晶粒的异常长大，降低了WC平均晶粒尺寸，因为Ru影响WC晶粒的溶解析出过程。此外，Ru可以促进Co相从FCC结构到HCP结构的转变，随着Ru含量的增加，HCP-Co含量从14.4%增加到39.6%。在因Ru而导致Co相的晶格畸变和Co相的转变的综合作用下，含1.5wt%Ru的硬质合金表现出最高的硬度（1382HV），最高的抗弯强度（3790MPa）以及最高的相对密度（99.78%）。但含0.5wt%Ru的硬质合金表现出最高的断裂韧性（19MPa·m-1/2）。同时，含1.5wt%Ru的硬质合金在温度700℃下表现出最高的高温硬度为967HV且硬度下降率也是最低的。 Ru对TiAlCrSiN涂层的晶体结构并无明显差别，呈现典型的柱状晶。涂层厚度在1μm-3μm之间，涂层晶粒尺寸在8nm-10nm之间，涂覆在未含 Ru 的硬质合金基体表面的涂层的厚度最厚（ 2.88μm ），含1.5wt%Ru的硬质合金基体表面涂层的晶粒尺寸最小（8.5nm）。此外，由于涂层与基体之间的元素相互扩散，这导致涂层中Ti N相的衍射角度发生变化，其衍射角度先往高角度方向偏移再往低角度方向偏移。由于涂层的固溶强化作用，含2wt%Ru的硬质合金基体表面涂层的纳米硬度最高（ 26.41GPa ），与未含 Ru的硬质合金基体表面涂层的纳米硬度（22.49GPa）相比较，提高17.4%。此外，涂层结合力方面，与未含Ru的硬质合金基体表面涂层的结合力相比较，含2wt%Ru的硬质合金基体表面涂层的结合力提高了21.8%。 切削力方面，随着切削速度的增加，未涂层的含Ru硬质合金刀具在切削过程中所产生的切削力呈现出先减小后增大的趋势，而涂层后的含Ru硬质合金刀具在切削过程中所产生的切削力呈现出一直减小的趋势。仅当切削速度在65m/min-85m/min之间时其切削力是略高于未涂层的硬质合金刀具。由于含Ru硬质合金基体表面的涂层的结合强度和硬度都要优于未含Ru的硬质合金基体表面的涂层，所以含Ru硬质合金涂层刀具表现出更小的切削力。切削温度方面，未涂层和涂层后的含Ru硬质合金刀具在后刀面处的切削温度都随着切削温度的增加而增加，未含Ru的硬质合金刀具的切削温度在这三个切削速度参数下一直保持最高。当切削速度在低速下，涂层后的硬质合金刀具的切削温度比未涂层的硬质合金刀具的切削温度要略高，而当切削速度在高速下，涂层后的硬质合金刀具的切削温度比未涂层的硬质合金刀具的切削温度要低。由于涂层的热障效应，涂层后的硬质合金刀具切削温度的增加速率是低于未涂层的硬质合金刀具切削温度增加速率。整体上，用未涂层的硬质合金刀具切削后的工件表面粗糙度随着切削速度的增加呈现出先减小后增大的规律，而用涂层后的硬质合金刀具切削后的工件表面粗糙度随着切削速度的增加呈现出一直减小的规律，同时，与未含Ru硬质合金刀具切削后的工件表面粗糙度相比，用含Ru硬质合金刀具切削后的工件表面粗糙度更小。 刀具磨损方面，未涂层、涂层后的未含Ru的硬质合金刀具的后刀面磨损速率是当中最高的且维持着较低的切削使用寿命，而相应的含Ru硬质合金则表现出相反的结果，以刀具的后刀面磨损量达到0.3mm时的切削距离为标准，当切削速度为85m/min和 105m/min时，未涂层的含1wt%Ru的硬质合金的切削寿命分别是相应未含Ru的硬质合金的2倍和2.5倍左右，同时，涂层后的含1 wt%Ru的硬质合金的切削寿命分别是相应未含Ru的硬质合金的1.25倍和2倍左右。此外，不管是涂层前还是涂层后，所有的硬质合金刀具的前刀面和后刀面的磨损程度都随着切削速度的增加而增加。但是与未含Ru硬质合金刀具相比，在相同的切削速度下，含Ru硬质合金刀具前刀面的月牙洼磨损程度是更小的。其未涂层、涂层后的刀具的磨损形式主要为扩散磨损、氧化磨损、粘着磨损以及磨粒磨损。
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