钛合金是具有重量轻、比强度高，以及耐氧化、耐腐蚀性优秀等性能的耐热合金，由于这些特性使其在航空航天，化工以及医疗等领域中得到了广泛的应用。但钛合金热传导率较低，在切削中产生的切削热很难通过切屑或工件本身传导出去，切削热大部分堆积在刀具上，极易导致刀具刃口磨损和被加工材料熔覆黏结，所以也被称为难加工材料。针对钛合金的难加工性深入分析，黛杰开发了最新涂层材料DS1。

钛合金的难加工性

钛合金加工中的铣削是最难加工类别之一，加工过程中刃口的主要失效形式是被加工材料堆积熔覆在刃口上，即便是带有涂层的刀片也很难抑制其产生。而当这些黏附物随着切屑剥离会将涂层和合金基材一同剥离下来造成刃口崩缺，从而降低刀具寿命。因此，采用摩擦系数更小、耐温耐氧化性更高以及耐热冲击性能与基材结合性更好的涂层材料开发迫在眉睫。

引起这些问题的原因主要来自钛合金本身的一些特性，比如其强韧性使得切削困难且易产生高温；由于钛合金的热传导率很低，切削热量难以被切屑带走，也不易传至工件内部。过去传统的想法是设法让切削热从刀具本身传走。这样的研发方向限定了必须确保硬质合金具有必要硬度的范围内，优化调整WC粒度和配比来提高热传导率。而事实上这样也依旧很难将积攒的热量充分排出。所以转变思维方式，研发即使热量积攒再多也难以让工件材料熔覆黏结在刀具表面的方法，将是解决难题的有效对策。

DS1用于涂层材料

总体而言，DS1的优势特点包括：高耐磨性、高高温强度、高抗压缩性、与液体金属的非亲和性以及极低的化学活性。尽管DS1具有很多优秀的物理化学性能，但将其应用于切削刀具中并不多见，主要原因是具体的应用方法尚未完全发掘出来。黛杰着眼于其潜力的开发，将其完美地应用于刀具表面涂膜材质。

铣削刀具考虑到耐冲击性能大部分都使用物理（PVD）涂层。PVD涂层大体分为电弧离子沉积（以下简称：AIP）和磁控溅射喷涂两种。实验证明用AIP方式来进行DS1材质的涂层无法很好的应用。而通过选用具有极高贴合性和结合性的合金基材，运用最新的磁控溅射喷涂法（HiPIMS，高能脉冲磁控溅射喷涂）可以显著提升DS1成分的离子化，形成符合钛合金加工要求的完美涂层。

DS1涂层的特性

图1为各种涂层的表面状况和性能比较。DS1因为采用了HiPIMS涂层，相较于AlTi类（DCMS，传统磁控溅射喷涂法）以及常见的传统AlTi类（AIP）来说，表面平滑度更好。DCMS涂层的平滑度与HiPIMS比较接近。而AIP涂层表面则有很多粒状突起的、由涂层成分液化后的液滴附着在表面并凝固形成的滴斑。

图1  各种涂层的表面状况和性能比较

对此，一般来说为了改善涂层的表面质量，均会在涂层后对表面施以平滑处理。图2显示了各种涂层经过表面平滑处理后的Sdr值（表面展开面积与投影面积比）。AIP涂层经过平滑处理后的Sdr值也远大于HiPIMS，由此可以判断其在切削过程中摩擦力要大很多。而HiPIMS涂层在平滑处理前后的Sdr值变化很小，充分说明其表面已足够光滑。

图2  各种涂层经过表面平滑处理前后的Sdr值

切削性能的验证

图3是各种涂层刀片在切削常用钛合金Ti-6Al-4V（TC4）实验中的磨损曲线。使用刀体为新时代新干线快进给刀盘SKG-6063R-10-22（D63、6刃）。刀片合金基材为相当于ISO划分规则的VM40。从实验结果可以看到，AlTi类涂层中，DCMS和AIP并没有明显的差距，而与之相对的DS1的HiPIMS涂层的磨损进展却非常缓慢。

图3  各种涂层刀片在切削常用钛合金Ti-6Al-4V（TC4）实验中的磨损曲线

图4为切削初期刃口部位电子显微镜金相照片，光亮密度表示被加工材料熔覆黏结和合金基材的露出程度。光亮密度越高说明被加工材料的黏附和合金基材的露出程度越大，刀具与被加工材料黏附的强度越高，也越容易引起刃口涂层和基体材料的剥离。从图中可以看到所有涂层上均发生，虽然难以区分其中黏附和基材的比重，但DS1涂层与其他两种涂层相比发亮部分极少，说明其低化学活性和非亲和性有效地抑制了被加工材料的熔覆黏结。

图4  切削初期刃口部位

加工案例

其中，在钛合金Ti-6Al-4V（TC4）航空航天零部件的加工中，使用的是2in（D50.4）SKS-GⅡ09型新时代新干线快进给刀盘。新时代新干线快进给型刀具是顺应行业发展，专门针对钛合金和高温合金开发，采用四方形正前角刃口的快进给刀具。运用大轴向正前角和多刃型设计，有效遏制难加工材料加工时切削热的产生。

刀片则是应用了新开发的DS1涂层的最新材质DS150。与传统材质相比较，加工寿命达到了180 min，刀具耐用度得到了极大提高。

结语

此前，对于钛合金的加工，通过改变涂层材料来提高加工性能被认为几乎不可能，但如今看来也只是受限于当时的技术能力和思考方法。

通过选用黛杰效果良好的涂层材料DS1和合适的合金基体，采用先进的HiPIMS方法涂层，对于提高钛合金加工刀具的使用寿命及其稳定性具有非常积极的意义。今后，黛杰也会将DS1涂层应用于其他类别的刀具，其必将对提高钛合金切削加工性做出卓越的贡献。