Tính chất và cơ chế mài mòn của lớp phủ dựa trên TiAlN trong gia công

Quá trình gia công là một chủ đề nghiên cứu rất được quan tâm vì nó là một quá trình liên quan để sản xuất các bộ phận có độ chính xác cao và chất lượng cao cho các lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Một trong những trọng tâm của nghiên cứu được thực hiện là cải tiến quy trình, một trong số đó là việc tạo ra và ứng dụng các lớp phủ công cụ trong các hoạt động gia công khác nhau. Các lớp phủ này cải thiện năng suất quy trình và tuổi thọ của các công cụ gia công, và các lớp phủ mới đang được phát triển để sử dụng trong nhiều ứng dụng gia công khác nhau. Do khả năng chống mài mòn đáng kinh ngạc và tính chất cơ học cao của lớp phủ TiAlN ở tốc độ xử lý cao, độ ổn định nhiệt tốt và chống ăn mòn ngay cả ở nhiệt độ xử lý cao hơn, lớp phủ TiAlN vẫn rất phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp ngày nay. Trong bài đánh giá này, các tác giả trình bày một cuộc thảo luận toàn diện về việc sử dụng các lớp phủ dựa trên TiAlN, thu thập và trình bày thông tin mới nhất về sự phát triển của các lớp phủ liên quan này một cách có cấu trúc và có tổ chức.

Nguyên tắc thiết kế của lớp phủ dụng cụ gia công là điều chỉnh các đặc tính cơ học của chúng bằng cách kiểm soát thành phần và cấu trúc vi mô của chúng, dựa trên các đặc tính cơ học mong muốn của chúng, để cho phép chúng đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Một loạt các thiết kế lớp phủ khác nhau có sẵn cho nhiều tình huống ứng dụng khác nhau, như thể hiện trong Hình 1.

Các loại vấn đề khác nhau có thể được giải quyết bằng cách chọn các loại cấu trúc lớp phủ khác nhau, ví dụ, việc sử dụng lớp phủ nhiều lớp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của dụng cụ so với lớp phủ một lớp. Ví dụ, lớp phủ nhiều lớp có khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt cao hơn đáng kể so với lớp phủ một lớp. Ngoài ra, việc tăng số lớp cũng giúp cải thiện các đặc tính như độ cứng bề mặt của dụng cụ. Hình 2 cho thấy hành vi lan truyền vết nứt bề mặt của các cấu trúc lớp phủ khác nhau.

Bài báo này tập trung vào các lớp phủ mới, trình bày các lớp phủ được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau và đặc tính của chúng, đồng thời chỉ ra các cơ chế mài mòn phổ biến mà các lớp phủ này được phát hiện trong quá trình tiện và phay các hợp kim khác nhau (bao gồm thép, titan và hợp kim dựa trên niken). Việc phân tích các cơ cấu mài mòn này cung cấp những thông tin vô cùng quý giá cho việc cải tiến và tối ưu hóa các quá trình gia công. Khi gia công một số loại hợp kim nhất định bằng một dụng cụ được tráng phủ cụ thể, nó có thể được xác định bằng xu hướng mòn của dụng cụ chung. Đánh giá hành vi mài mòn của bề mặt dụng cụ thường được đặc trưng bởi SEM. Như thể hiện trong Hình 3 dưới đây, có thể quan sát hiện tượng mòn của dao phay phủ TiAlN sau khi gia công hợp kim Inconel.

Xu hướng nghiên cứu về lớp phủ dựa trên TiAlN chủ yếu tập trung vào việc điều chỉnh lớp phủ dựa trên TiAlN bằng cách pha tạp một số nguyên tố như Ru, Mo, Ta vào trong lớp phủ vì chúng có tiềm năng lớn trong việc cải thiện các tính chất cơ học và mài mòn. Việc bổ sung các yếu tố này cũng ảnh hưởng đến cấu trúc lớp phủ, do đó cải thiện hoạt động sử dụng của lớp phủ. Có thể quan sát thấy ba lớp phủ TiAlN pha tạp với hàm lượng ruthenium khác nhau trong Hình 4, và kết quả cho thấy cấu trúc của các lớp phủ đồng đều hơn với sự gia tăng của hàm lượng ruthenium. Hơn nữa, bài báo này đánh giá các tính chất cơ học của tất cả các lớp phủ này và lớp phủ dựa trên TiAlN với hàm lượng 7% ruthenium thể hiện các tính chất cơ học tốt nhất. Nghiên cứu về các nguyên tố pha tạp này là phổ biến và có tiềm năng lớn để cải thiện hiệu suất phủ dụng cụ. Bài báo đánh giá các nguyên tố pha tạp mới nhất và phổ biến nhất, đồng thời mô tả các chỉ số đánh giá chung về tính chất cơ học của các lớp phủ này (liên quan đến tính chất mài mòn của các lớp phủ), chẳng hạn như: độ cứng, độ dẻo dai, tỷ lệ H / E (độ nhớt) và ma sát hệ số. Các giá trị này cũng sẽ được sử dụng để đánh giá các vật liệu nano mới và các lớp phủ dựa trên nano-TiAlN.

Một xu hướng chính khác trong nghiên cứu lớp phủ TiAlN là việc tạo ra các lớp nano và lớp phủ công cụ nanocompozit mới, vì lớp phủ mỏng hơn có thể cải thiện đáng kể hiệu suất ứng dụng trong gia công. Các lớp phủ này đã được chứng minh trong các quá trình gia công khác nhau để tăng cường các tính chất cơ học và cải thiện cấu trúc và tính chất của lớp phủ, đặc biệt là tính chất mài mòn của nó. Về cơ chế mài mòn của lớp phủ, nghiên cứu phát hiện ra rằng các cơ chế mài mòn chính trong quá trình xay xát là mài mòn chất kết dính và mài mòn, tuy nhiên, việc sử dụng lớp phủ nano có thể cải thiện sự hư hại chất kết dính do lớp phủ gây ra. Các lớp phủ được sử dụng trong quá trình tiện thường bị mài mòn và mài mòn, và một số lớp phủ cũng có biểu hiện mòn keo. Trong phay, việc sử dụng các lớp phủ nano lớp và nanocompozit cải thiện hiệu suất cắt và tuổi thọ dụng cụ của các dụng cụ được phủ, và các loại lớp phủ này tốt hơn các lớp phủ dựa trên TiAlN một lớp thông thường. Giá trị độ cứng và mô đun Young của các lớp phủ dựa trên TiAlN lớp nano và nanocompozit được liệt kê trong Bảng 1.