未來切削加工的方向是不用或盡量少用切削液。隨著耐高溫刀具材料和涂層技術(shù)的發(fā)展，干加工在機(jī)械制造領(lǐng)域變?yōu)榭赡堋?br/>
環(huán)境保護(hù)和性能提升的需求令很多學(xué)者正在探索新的刀具，提高車刀的硬度、耐磨性和耐蝕性，以達(dá)到改善工件表面質(zhì)量的目的。
葉均蔚教授提出了高熵合金的定義，即以多種元素組成的合金，但不局限于金屬元素，其中主要元素有5 ~ 13種，各元素的原子分?jǐn)?shù)為5%~ 35%，沒有明顯的主要元素。
高熵合金的微結(jié)構(gòu)與機(jī)械特性就是一般傳統(tǒng)合金所沒有的多主元素效應(yīng)，可歸納出4種核心效應(yīng)：高熵效應(yīng)，緩慢的原子擴(kuò)散效應(yīng)，嚴(yán)重的晶格扭曲現(xiàn)象，以及雞尾酒效應(yīng)。
這4種效應(yīng)使得高熵合金的硬度、抗腐蝕性、抗氧化性、抗磨耗性等性能都得到了很大的改善。
在后來的發(fā)展中，很多學(xué)者對不同成本的元素進(jìn)行拓展研究，文獻(xiàn)針對含碳?xì)涓哽睾辖鹜嘶鸬难芯拷Y(jié)果顯示，1 000 °C下真空退火2 h的條件仍保持原有的FCC固溶相，硬度最大可保持在34.0 GPa上下。
由高熵合金與氮化合金結(jié)合而成的高熵氮化合金將是嶄新且充滿可能性的新領(lǐng)域，刀具、模具等工件表面披覆高熵合金薄膜能夠有效增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度及耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐磨、耐腐蝕等性能。
與傳統(tǒng)合金鍍膜相比，高熵合金應(yīng)用層面非常多元，有著無數(shù)的驚喜等待發(fā)現(xiàn)。
高功率脈沖磁控濺鍍法(HIPIMS)自Kouznetsov等人提出以來，引起了各國學(xué)者的廣泛研究，設(shè)計了典型的HIPIMS系統(tǒng)。
它具有極高的靶材離化率及高電漿密度，主要是調(diào)整占空比與通、斷時間，將電荷累積在電容中瞬間釋放，由此得到脈沖波形。這樣就可以彈性控制特定鍍膜條件所需的高密度電漿特性。
2002年Ehiasarian等人利用高于1 kW的金屬電漿轟擊試片(偏壓?1 200 V)，獲得了極佳的薄膜附著性。
如果瞬時電流密度高于0.5 A/cm2，那么可以大幅提高薄膜的致密性及微結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且不易產(chǎn)生孔洞。
隨著HIPIMS技術(shù)不斷地發(fā)展和應(yīng)用，電漿的沉積技術(shù)會得到越來越廣泛的應(yīng)用，但需對濺鍍過程的參數(shù)進(jìn)行持續(xù)研究。
本文重點研究HIPIMS濺鍍過程中不同的濺鍍功率對高熵合金氮化物(AlCrNbSiTiV)N的微觀結(jié)構(gòu)和性能試驗研究，將鍍膜的車刀和非鍍膜的車刀進(jìn)行切削對比，分析其微觀結(jié)構(gòu)的變化情況和切削工件表面質(zhì)量。
1 實驗
1. 1 靶材制作
由賴思維的研究成果得知(AlCrSiTiV)N薄膜具有30 GPa以上的硬度，而TiN中加入Nb元素所形成的(TiNb)N固溶相能有效提升硬度，因此黃炳剛推測添加Nb理應(yīng)能有效提升薄膜硬度，使薄膜具有優(yōu)越的機(jī)械性質(zhì)，故選擇Al、Cr、Nb、Si、Ti、V等容易與N2反應(yīng)形成氮化物的元素作為靶材的合金成分設(shè)計，為等物質(zhì)的量AlCrNbSiTiV。
本實驗用的AlCrNbSiTiV高熵靶材采用真空電弧熔煉法煉制而成，將Al、Cr、Nb、Si、Ti和V成分元素(純度大于99.9%)置于水冷模具中，將腔體的真空抽至13.3 Pa，通入純Ar約26.7 kPa，步驟反復(fù)5次。
然后將模具中的金屬熔煉成液態(tài)，等待金屬冷卻后翻面置于模具中，反復(fù)多次熔煉AlCrNbSiTiV高熵靶材令其更加均勻。
然后用能譜儀(EDS)分析得到如圖1所示的AlCrNbSiTiV靶材各元素的成分譜圖，各元素的原子分?jǐn)?shù)如下：Cr 16.61%，Al 17.23%，Si 16.81%，Nb 15.86%，Ti 17.37%，V 16.12%。可見AlCrNbSiTiV靶材各元素組成均在5% ~ 35%之間，與高熵合金的定義一致。
1. 2 濺鍍(AlCrNbSiTiV)N薄膜
采用氬氣(Ar)為惰性氣體，氮氣(N2)為反應(yīng)氣體，其純度均大于99.995%。
選擇蘇打玻璃作為基板，使用0Cr18Ni8不銹鋼片考察其黏附狀態(tài)，以TNMG160404R--UM T1200A舍棄式瓷金刀具進(jìn)行切削試驗。
使用反應(yīng)式磁控濺鍍設(shè)備實現(xiàn)(AlCrNbSiTiV)N薄膜的濺鍍。濺鍍前用機(jī)械回轉(zhuǎn)泵和冷凍泵將腔體的真空度抽至約0.67mPa。
電源控制器采用RF-GENERATOR PFG 300 RF，它可以精準(zhǔn)地控制濺鍍功率，降低濺鍍功率的控制誤差。
實驗參數(shù)如下：氮氬比15%，工作壓力0.47 Pa，靶材到基材的距離85 mm，轉(zhuǎn)盤速率50 r/min，基材偏壓?50 V，基材溫度250 °C，沉積時間30 min，濺鍍功率120、150、180、210或240 W。
1. 3 薄膜微觀結(jié)構(gòu)和性能試驗
用Rigaku公司的2000型X射線衍射儀(XRD)對基板上的薄膜進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析。用α-step微細(xì)形狀測定儀(KOSAKA ET-4000A)的探針測量薄膜的厚度。
先去除基材表面的耐熱膠帶，形成薄膜鍍層與基材表面段差，經(jīng)探針掃描得薄膜厚度。
用JEOL公司的M-7100F型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察薄膜的表面及截面形貌，并使用其能譜儀(EDS)進(jìn)行元素測定。
用Fischer公司的HM-2000型納米壓痕儀獲得鍍層薄膜的硬度及負(fù)載?位移曲線。
再通過C球?qū)ΡP干式磨耗儀檢測薄膜的磨耗：Al2O3磨球的粗糙度為0.08 μm，球徑6.0 mm，硬度788 HV；切線速率100 mm/s，運動軌跡10 mm，磨耗距離100 m。
1. 4 車削分析試驗
用鍍膜的車刀和未鍍膜的車刀分別切削鉻鉬鋼材料DIN-50CrMo4(直徑40 mm)，試驗參數(shù)如下：切削速率220 m/min，進(jìn)給率0.2 mm/rev，切削深度2 mm，切削長度300 mm。
刀具損壞失效的類型很多，如刀腹磨損、刀口積屑、熱塑性變形、刀刃崩溝、高溫裂紋、崩刃等。
本文通過刀腹磨損情況來評估耐磨性，用Mitutoyo 公司的 SUFTEST-402 型表面粗度量測儀對工件切削后的粗糙度進(jìn)行測量。
2 結(jié)果與討論
2. 1 未鍍膜刀具的磨耗和工件的表面粗糙度
首先對未鍍膜的TNMG160404R-UM T1200A刀具切削鉻鉬鋼材料的結(jié)果進(jìn)行分析，用掃描電鏡觀察到刀腹部位的磨耗為28.7 μm，測得工件的表面粗糙度為1.717 μm 。
2. 2 濺鍍功率對(AlCrNbSiTiV)N薄膜性質(zhì)的影響
2. 2. 1 厚度及沉積速率
由表1可知，濺鍍功率增大時，(AlCrNbSiTiV)N薄膜的厚度和沉積速率均呈穩(wěn)定上升的趨勢。
濺鍍功率越大，脈沖電流就越大，原子間的致密性越好，沉積速率也越高。實驗結(jié)果與文獻(xiàn)所描述的原理相吻合。
2. 2. 2 微觀結(jié)構(gòu)
如圖2所示，在較低的濺鍍功率下，原子流的密度較小，沉積較慢，形成的薄膜較薄，表面顆粒比較細(xì)密。
隨著濺鍍功率提高，沉積速率加快，薄膜越來越厚，且容易形成較大的原子團(tuán)，表面顆粒也比較粗大。這是240 W功率時表面顆粒最大的原因，與文獻(xiàn)中描述的現(xiàn)象相似。
濺射功率為210 W時所得典型(AlCrNbSiTiV)N薄膜的XRD分析結(jié)果見圖3和表2。
從中可知，該薄膜是由單一面心立方(FCC)或多個體心立方(BCC)構(gòu)成的固溶體結(jié)構(gòu)，各氮化物之間相互固溶。
另外，AlCrNbSiTiV高熵合金中元素種類較多，且各元素的原子都是溶質(zhì)原子，原子的尺寸差別大，晶格嚴(yán)重畸變，使晶格坍塌而形成非晶相。
2. 2. 3 硬度
根據(jù)Oliver提出的模型，薄膜的彈性恢復(fù)率Re按式(1)計算。
式中h ** x表示最大壓痕深度，反映薄膜抗破壞變形的硬度；hr表示殘余壓痕深度，是去除壓頭后殘留在薄膜表面的壓痕深度。
用納米壓痕儀對不同濺鍍功率產(chǎn)生的(AlCrNbSiTiV)N薄膜進(jìn)行試驗，以相同的10 mN壓力將針頭壓在各塊薄膜的表面，對硬度(H)、彈性模量(E)、h ** x、hr等參數(shù)進(jìn)行記錄，結(jié)果如圖4和表3所示。
可見濺鍍功率越大，薄膜的硬度越大。另外，H3/E2值也逐漸上升，最小值為0. ** 9 215，充分表明(AlCrNbSiTiV)N薄膜具有很好的抵抗塑性變形的能力。
從壓力?位移曲線可以看出，不同濺鍍功率下所制薄膜的Re都比較接近，至少有74.43%，表明它們均有非常良好的彈性恢復(fù)性能。
2. 2. 4 磨耗試驗
如圖5所示，濺鍍功率為120、150、180、210和240 W時，薄膜的摩擦因數(shù)分別約為0.68、0.62、0.66、0.62和0.61。
很多因素會影響摩擦因數(shù)，比如硬度、表面粗糙度、負(fù)載，等等。根據(jù)前面薄膜硬度的結(jié)果，隨著功率上升，硬度不斷上升，摩擦因數(shù)會相應(yīng)地減小。
但功率上升會導(dǎo)致薄膜的粒徑變大，表面粗糙度隨之增大，摩擦因數(shù)有上升的趨勢。在多種因素的作用下，摩擦因數(shù)沒有隨著功率的上升而有明顯的變化。
2. 2. 5 刀腹磨耗與工件表面粗糙度
在與未鍍膜刀具的切削參數(shù)一致的情況下，將不同濺鍍功率下鍍膜的車刀用于車削元素成分較多的鉻鉬鋼，此過程對刀具的硬度和耐磨性能要求較高，結(jié)果見圖6。
結(jié)合前面的分析可知，濺鍍功率越高，薄膜越致密，硬度越大，耐磨性就越好。
濺鍍功率為240 W時所得薄膜性能最好，切削后工件表面的粗糙度與未鍍刀具相比有了明顯的改善，刀腹磨耗也遠(yuǎn)低于未鍍刀具(前者僅為后者的37.6%)，刀具的壽命將得到大幅提升。
3 結(jié)論
將純度大于99.9%的Cr、Al、Si、Nb、Ti和V制作成AlCrNbSiTiV高熵合金靶材，再利用高功率脈沖磁控濺射的方式在車刀和基材上濺鍍了(AlCrNbSiTiV)N高熵合金氮化物薄膜。
隨著濺鍍功率的提升，脈沖電流增大，原子間的致密性提高，薄膜沉積加快，相同濺射時間內(nèi)薄膜的厚度越大，且容易形成較大的原子團(tuán)，表面顆粒比較粗大。
AlCrNbSiTiV高熵合金的各元素原子都是溶質(zhì)原子，與氮氣生成相互固溶的氮化物，原子的尺寸差別大令晶格畸變而形成非晶相。
濺鍍功率在240 W時制得的薄膜硬度為39.32 GPa，彈性恢復(fù)率達(dá)81.06%。用其車削工件后，工件的表面粗糙度Ra達(dá)到1.367 μm，刀腹磨耗僅為10.8 μm。
