一种仿生裂纹自愈涂层刀具制备方法技术

本发明专利技术属于机械切削刀具制造技术领域，特别涉及一种仿生裂纹自愈涂层刀具制备方法。其特征是在刀具涂层材料体系中引入与生物体相类似的自愈系统和机制，使涂层材料在工件加工过程具有“知觉”和“感觉”功能，构建具有裂纹自愈性能的涂层组元体系，使刀具对其表面环境的变化自动做出恰当的响应并自行修复，即当刀具材料中出现裂纹或损伤时，能够触发一种自愈效应，使已有裂纹或损伤得到一定程度自我修复和愈合。本发明专利技术可应用于陶瓷、硬质合金等刀具材料，制备的仿生裂纹自愈涂层刀具，具有较小的摩擦因数、高的耐磨性和较好的裂纹自愈功能，该刀具可广泛应用于难加工材料干切削加工。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生裂纹自愈涂层刀具制备方法
本专利技术属于机械切削刀具制造
，特别涉及一种仿生裂纹自愈涂层刀具制备方法。
技术介绍
在当前全球经济根本性变革、制造业发生革命性转变的特殊时期，以数控机床为基础的现代制造技术迎来了高速高效、高精度、高柔性、智能和绿色化的蓬勃发展时代，因此对刀具技术提出了更高的要求。刀具涂层技术的应用赋予了刀具高的耐磨性和硬度，同时又能保证较高的韧性和强度，在一定程度上大大延长了刀具服役寿命、减少换刀时间并提高机械加工效率。但金属切削是切削力与切削热耦合的复杂过程，在工件材料去除过程，工件材料的弹塑性变形、刀具与工件和切屑之间的摩擦导致大量切削热和机床振动的产生，随着切削速度的提高，切削热和机床振动加剧，刀具在切削加工过程承受冲击和耦合应力的作用，导致涂层产生疲劳裂纹、脱落，降低了涂层的服役寿命。因此开发抗冲击、抗裂纹扩展的高性能涂层刀具成为重要而亟待解决的难题。生物有机体在受到破坏后可以自行修补创伤，这使得生物具有再生机能和自愈能力。动物骨骼在断裂处可以形成以裂口为中心的血肿，继而成为血凝块，初步将裂口连接，然后形成由新生骨组织组成的骨痂，与裂口处的纤维骨痂合并，形成新骨。自愈能力是生物体在长期进化过程中形成的一种自我保护、自我恢复的能力，材料研究学者从生物体系统中得到启示，希望在材料体系设计过程获得与生物体类似的自愈系统。当材料中出现裂纹或损伤时，能够触发一种自愈效应，使得已有的裂纹或损伤得到一定程度的自我修复。金属切削过程中，刀具与工件材料之间发生着强烈的摩擦接触作用，形成了刀具前刀面-切屑(刀-屑)和后刀面-工件已加工表面(刀-工)两个方面的摩擦。切削中的摩擦对切削加工过程切削热的产生有着重要影响，尤其是在高速切削难加工材料时，刀-屑间的摩擦更加剧烈，切削区温度更高，对切削过程影响更大。因此为提高涂层刀具耐疲劳、抗裂纹扩展性能，本专利技术提出仿生自愈涂层的概念，将材料“仿生自愈效应”引入刀具涂层设计中，通过构建具有裂纹自愈性能的智能涂层组元体系，阐明桥联颗粒形成的自愈效应及裂纹填充状态与切削温度之间的关联关系，可望有效提高涂层的服役寿命；目前，关于材料自愈性能应用于刀具涂层技术，鲜有文献报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种仿生裂纹自愈涂层刀具制备方法。本专利技术通过以下方式实现：在刀具涂层材料体系中引入与生物体相类似的自愈系统和机制，使得涂层材料在工件加工过程具有“知觉”和“感觉”功能，能对刀具表面环境的变化自动做出恰当的响应；即当材料中出现裂纹或损伤时，能够触发一种自愈效应，使得已有的裂纹或损伤得到一定程度的自我修复和愈合，研究涂层在切削加工过程裂纹自愈合的临界条件，分析涂层材料裂纹自愈合过程中物理、化学及力学特征，构建具有裂纹自愈性能的涂层组元体系。制备上述仿生裂纹自愈涂层刀具的工艺步骤为：(1)基体材料选择：选择涂层刀具基体材料包括Al2O3/TiC陶瓷车刀(重量百分比45%Al2O3+55%TiC)、硬质合金车、铣刀(重量百分比分别为79%WC+15%TiC+6%Co和94%WC+6%Co)等。(2)自愈涂层体系构建：通过分析涂层在切削加工过程裂纹自愈合的临界条件，分析涂层材料裂纹自愈合过程中物理、化学及力学特征，构建具有裂纹自愈性能的涂层组元体系(如图1和图2所示)。通过计算切削过程可能发生反应的吉布斯自由能，遴选具有自愈合行为的原材料，包括TiN、MoS2、SiC、WC、Co、TiC等。(3)表面纳米织构加工：为增加基体与自愈涂层之间的结合力，在涂层之前，采用飞秒激光加工技术在刀具前刀面和后刀面分别加工纳米织构，加工参数为：单脉冲能量1.5-3µJ，扫描速度100-1000µm/s，扫描1-2遍。(4)自愈体系材料涂覆：将具有自愈性能的原材料粉末以一定比例混合，制备成悬浮液，利用超音速火焰喷涂系统，在刀具前刀面和后刀面均匀喷涂；超音速火焰喷涂参数为：送料电压3-6bar，氧气流量300-800L/min，氢气流量500-1500L/min，喂料速度20-80ml/min，喷枪距离刀具60-100mm，夹持刀具的旋转盘转速73rpm，喷枪垂直方向移动速度5mm/s，喷射角度90°。本专利技术通过上述工艺制备的仿生裂纹自愈涂层刀具，即当涂层材料中出现裂纹时，能够触发一种自愈效应，使得已有的裂纹或损伤得到一定程度的自我修复和愈合，具有高的服役寿命，可用于切削奥氏体不锈钢(lCrl8Ni9Ti)、冷作模具钢(Crl2MoV)、马氏体不诱钢(lCrl3)、镍基合金Inconel-718、Ti6A14V合金等难加工材料。附图说明图1为本专利技术的涂层裂纹自愈前结构示意图，其中：1为氧气，2为裂纹，3为自愈合涂层组元体系，4为表层耐磨涂层，5为具有自愈功能的涂层，6为刀具基体；图2为涂层裂纹自愈过程结构示意图，其中：1为自愈涂层组元与氧气接触，氧化并逐渐长大生成的桥联颗粒。具体实施方式下面给出本专利技术的两个最佳实施例：实施例一：刀具材料为Al2O3/TiC陶瓷车刀(重量百分比45%Al2O3+55%TiC)。首先，采用飞秒激光加工技术在刀具前刀面和后刀面分别加工纳米织构，纳织构覆盖范围为边长10mm的正方形，距离主切削刃和副主切削刃100nm，加工参数为：激光单脉冲能量1.5µJ，扫描速度800µm/s，扫描2遍，对应纳织构间距约为300-400nm，深度约为50-100nm；其次，将粒径约20nm的TiN纳米粉加入法国Baikowski产的商业氧化铝悬浮液中超声波振动30分钟，制备成氧化铝与TiN比重约为9比1的悬浮液，搅拌3小时以确保悬浮液的均匀性；然后，将刀具纳织构表面进行喷砂处理，去掉激光加工过程生成的Ti的氧化物，喷砂压缩空气压力为0.7MPa，砂料为16#棕刚玉；喷砂后将车刀放入丙酮中超声波清洗15分钟，吹干备用30分钟内超音速火焰喷涂技术进行涂层；最后，在加工纳织构刀具的前刀面和后刀面分别依次喷涂仿生自愈涂层(重量百分比为90%氧化铝+10%TiN的悬浮液)和外层耐磨涂层(法国Baikowski产的商业氧化铝悬浮液)；超音速火焰喷涂参数为：送料电压6bar，氧气流量600L/min，氢气流量1200L/min，喂料速度60ml/min，喷枪距离刀具80mm，夹持刀具的旋转盘转速73rpm，喷枪垂直方向移动速度5mm/s，喷射角度90°，喷枪垂直移动次数为3-5，涂层厚度约为10-15µm。实施例二：刀具材料为硬质合金车刀(重量百分比为79%WC+15%TiC+6%Co)。首先，采用飞秒激光加工技术在刀具前刀面和后刀面分别加工纳米织构，纳织构覆盖范围为边长10mm的正方形，距离主切削刃和副主切削刃100nm，加工参数为：激光单脉冲能量2.5µJ，扫描速度500µm/s，扫描间距5µm，对应纳织构周期为550nm，深度约为150nm；其次，将粒径分别约20和50nm的TiN和MoS2纳米粉同时加入法国Baikowski产的商业氧化铝悬浮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生裂纹自愈涂层刀具制备方法，其特征是在刀具涂层材料体系中引入与生物体相类似的自愈系统和机制，使得涂层材料在工件加工过程具有“知觉”和“感觉”功能，能对刀具表面环境的变化自动做出恰当的响应，即当材料中出现裂纹或损伤时，能够触发一种自愈效应，使得已有的裂纹或损伤得到一定程度的自我修复和愈合；首先，为增加基体与自愈涂层之间的结合力，在涂层之前，采用飞秒激光加工技术在刀具前刀面和后刀面分别加工纳米织构；然后，通过计算切削过程可能发生反应的吉布斯自由能，分析涂层材料裂纹自愈合过程中物理、化学及力学特征，遴选具有自愈合行为的原材料，构建具有裂纹自愈性能的涂层组元体系；最后，采用超音速火焰喷涂技术分两步涂覆自愈涂层和表层耐磨涂层，达到裂纹自愈效果。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿生裂纹自愈涂层刀具制备方法，其特征是在刀具涂层材料体系中引入与生物体相类似的自愈系统和机制，使得涂层材料在工件加工过程具有“知觉”和“感觉”功能，能对刀具表面环境的变化自动做出恰当的响应，即当材料中出现裂纹或损伤时，能够触发一种自愈效应，使得已有的裂纹或损伤得到一定程度的自我修复和愈合；首先，为增加基体与自愈涂层之间的结合力，在涂层之前，采用飞秒激光加工技术在刀具前刀面和后刀面分别加工纳米织构；然后，通过计算切削过程可能发生反应的吉布斯自由能，分析涂层材料裂纹自愈合过程中物理、化学及力学特征，遴选具有自愈合行为的原材料，构建具有裂纹自愈性能的涂层组元体系；最后，采用超音速火焰喷涂技术分两步涂覆自愈涂层和表层耐磨涂层，达到裂纹自愈效果。


2.利要求1所述一种仿生裂纹自愈涂层刀具制备方法，其特征包括以下步骤：
(1)基体材料选择：选择涂层刀具基体材料包括Al2O3/TiC陶瓷车刀(重量百分比45%Al2O3+55%TiC)、硬质合金车、铣刀(重量百分比分别为79%WC+15%TiC+6%Co...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘长霞，孙军龙，李召政，姜宇，
申请(专利权)人：鲁东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37