本發(fā)明屬于金屬陶瓷，特別涉及一種鈦合金切削用高熵化刀具的制備方法及高熵化刀具。

背景技術(shù)：

1、鈦合金具有多種優(yōu)良的材料特性，如高機(jī)械學(xué)性能、耐腐蝕性能、生物安全性以及與生物組織的良好反應(yīng)性，在研發(fā)和生產(chǎn)等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。例如：1.航空航天領(lǐng)域：應(yīng)用鈦合金制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣動(dòng)力系統(tǒng)等機(jī)械設(shè)備，或用其制作發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、葉片等重要零件；2.生物醫(yī)療領(lǐng)域：應(yīng)用鈦合金制作或修復(fù)人體的人工植入物，如人造骨骼等；3.軍工船舶領(lǐng)域：應(yīng)用鈦合金制作發(fā)動(dòng)機(jī)、坦克、裝甲車、大型艦艇的結(jié)構(gòu)件等；4.日常生活領(lǐng)域：應(yīng)用鈦合金制作軸承，自行車骨架等高強(qiáng)度零部件。盡管鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但其加工制造卻是一道難題。

2、目前，雖然精密鍛造等直接成形方法已經(jīng)開發(fā)出來，能夠最大限度地減少鈦部件的加工，但仍有許多鈦合金部件，如用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身的部件等，仍然通過車削、鉆孔和銑削等操作來制造，以保持低成本。然而，鈦合金也因?yàn)槠洫?dú)特的材料特性使其難以進(jìn)行機(jī)械加工：鈦合金的低導(dǎo)熱系數(shù)，產(chǎn)生的高切削溫度和高強(qiáng)度導(dǎo)致刀具的劇烈磨料磨損和擴(kuò)散磨損；鈦合金的低模量導(dǎo)致顫振和高徑向切削力；鈦合金的高化學(xué)反應(yīng)性促進(jìn)了擴(kuò)散磨損的進(jìn)一步進(jìn)行。因此，鈦合金加工過程中刀具的常見磨損主要是機(jī)械磨損、塑性變形、工件材料粘附和工件與刀具之間的擴(kuò)散磨損的綜合作用，而刀具與工件之間的擴(kuò)散磨損在高切削速度下起著更關(guān)鍵的作用。在對(duì)鈦合金應(yīng)用較高的切削速度情況下，刀具擴(kuò)散磨損對(duì)總磨損的相對(duì)貢獻(xiàn)呈指數(shù)級(jí)増加。因此，鈦合金的獨(dú)特材料特性導(dǎo)致了對(duì)鈦合金進(jìn)行機(jī)械加工的刀具的快速磨損、過早失效，嚴(yán)重影響鈦合金工件的加工質(zhì)量，極大地提高了鈦合金的加工成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決鈦合金加工刀具切削過程中由于高溫失效導(dǎo)致的刀具壽命驟減的問題，本發(fā)明提供了一種鈦合金切削用高熵化刀具的制備方法，該方法制備的高熵化刀具可滿足1000℃切削溫度下鈦合金的穩(wěn)定切削，具有優(yōu)異的高溫抗氧化性和高溫穩(wěn)定性，提高了鈦合金加工刀具的使用壽命，有利于降低鈦合金的加工成本。

2、本發(fā)明還提供了一種鈦合金切削用高熵化刀具。

3、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

4、本發(fā)明提供一種鈦合金切削用高熵化刀具的制備方法，所述制備方法包括：

5、制備表層具有高熵合金相的金屬陶瓷基體；

6、對(duì)所述金屬陶瓷基體進(jìn)行表面活化處理；

7、在經(jīng)表面活化處理的所述金屬陶瓷基體表面沉積高熵合金涂層；

8、在所述高熵合金涂層表面沉積高熵氮化物涂層，獲得高熵化刀具。

9、進(jìn)一步的，所述制備表層具有高熵合金相的金屬陶瓷基體，具體包括：

10、稱取高熵金屬原料c1和金屬陶瓷原料c2，將所述金屬陶瓷原料c2制粒后填充于刀具模具中進(jìn)行預(yù)壓制，獲得預(yù)坯；

11、將所述高熵金屬原料c1制粒后填充于所述刀具模具中，且覆蓋于所述預(yù)坯表面，后進(jìn)行二次預(yù)壓制，獲得二次預(yù)坯；

12、在所述刀具模具中對(duì)所述二次預(yù)坯進(jìn)行最終壓制，獲得基體坯料；

13、將所述基體坯料進(jìn)行真空燒結(jié)，獲得表層具有高熵合金相的金屬陶瓷基體。

14、進(jìn)一步的，所述制備表層具有高熵合金相的金屬陶瓷基體，具體包括：

15、按質(zhì)量比1：4稱取高熵金屬原料c1和金屬陶瓷原料c2，將所述金屬陶瓷原料c2制粒后填充于刀具模具中，在10t壓力下進(jìn)行預(yù)壓制，獲得預(yù)坯；

16、將所述高熵金屬原料c1制粒后填充于所述刀具模具中，且均勻覆蓋于所述預(yù)坯表面，后在10t壓力下進(jìn)行二次預(yù)壓制，獲得二次預(yù)坯；

17、在所述刀具模具中對(duì)所述二次預(yù)坯進(jìn)行最終壓制，壓力為100t，獲得基體坯料；

18、在真空環(huán)境下，采用微波對(duì)所述基體坯料進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)升溫速度為15～25℃/min，保溫溫度為1400～1500℃，保溫時(shí)間為45～90min，獲得表層具有高熵合金相的金屬陶瓷基體。

19、進(jìn)一步的，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述高熵金屬原料c1的成分如下：

20、ti：15～52％；ni：5.0～15.0％；co：5.0～15.0％；cr：5.0～15.0％；nb：5.0～15.0％；ta：5.0～15.0％；mo：2.0～16.0％；w：2.0～15.0％；c：2.0～7.0％；n：2.0～3.0％；

21、以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述金屬陶瓷原料c2的成分如下：

22、ti：50～62％；ni：2.0～3.0％；co：2.0～3.0％；cr：2.0～3.0％；nb：2.0～3.0％；ta：2.0～3.0％；mo：11.0～16.0％；w：7.0～15.0％；c：7.0～11.0％；n：2～3％。

23、進(jìn)一步的，所述對(duì)所述金屬陶瓷基體進(jìn)行表面活化處理，具體包括：

24、對(duì)所述金屬陶瓷基體表面進(jìn)行打磨和拋光，清洗后置于naoh溶液中進(jìn)行表面處理；

25、所述表面處理結(jié)束后置于酸溶液中進(jìn)行酸處理；

26、所述酸處理結(jié)束后置于k2cr2o7溶液進(jìn)行高活化處理；

27、所述高活化處理結(jié)束后進(jìn)行表面清洗。

28、進(jìn)一步的，所述對(duì)所述金屬陶瓷基體進(jìn)行表面活化處理，具體包括：

29、對(duì)所述金屬陶瓷基體表面粗磨后進(jìn)行拋光，清洗后置于為1～3mo?l/l的naoh溶液中進(jìn)行表面處理，所述表面處理持續(xù)時(shí)間為20～90s；

30、所述表面處理結(jié)束后置于含hno3、hcl和hf的酸溶液中進(jìn)行酸處理，所述酸處理持續(xù)時(shí)間為45～100s；

31、所述酸處理結(jié)束后置于0.001～0.01mo?l/l的k2cr2o7溶液進(jìn)行高活化處理，所述高活化處理持續(xù)時(shí)間為1～3h；

32、所述高活化處理結(jié)束后采用酒精進(jìn)行表面清洗；

33、其中，所述酸溶液中，hno3、hcl和hf的總濃度為1.2～3.5mo?l/l，且hno3、hcl和hf的摩爾濃度比為1:1:2。

34、進(jìn)一步的，所述在經(jīng)表面活化處理的所述金屬陶瓷基體表面沉積高熵合金涂層，具體包括：

35、在氮?dú)夥諊?，將?jīng)表面活化處理的所述金屬陶瓷基體升溫至350～550℃，后采用高熵合金靶材a在升溫后的所述金屬陶瓷基體表面進(jìn)行磁控濺射沉積高熵合金涂層；

36、其中，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述高熵合金靶材a的成分如下：

37、ni：15.0～25.0％；co：15.0～25.0％；cr：15.0～25.0％；nb：15.0～25.0％；ta：15.0～25.0％；不可避免的雜質(zhì)元素：0～1％。

38、進(jìn)一步的，所述在氮?dú)夥諊?，將?jīng)表面活化處理的所述金屬陶瓷基體升溫至350～550℃，后采用高熵合金靶材a在升溫后的所述金屬陶瓷基體表面進(jìn)行磁控濺射沉積高熵合金涂層，具體包括：

39、在氮?dú)夥諊?，將?jīng)表面活化處理的所述金屬陶瓷基體升溫至350～550℃，保溫20～60min，后采用高熵合金靶材a在升溫后的所述金屬陶瓷基體表面進(jìn)行磁控濺射，以沉積高熵合金涂層；

40、其中，所述高熵合金涂層的沉積工藝在高能電弧脈沖磁控濺射設(shè)備中進(jìn)行，所述金屬陶瓷基體偏壓為-20～-200v，氮?dú)饬髁?0～120sccm，靶電流由0a逐漸增加至70～110a，脈沖電壓頻率30khz，占空比75％，沉積時(shí)間為5～25min。

41、進(jìn)一步的，所述在所述高熵合金涂層表面沉積高熵氮化物涂層，獲得高熵化刀具，具體包括：

42、采用高熵氮化物靶材在所述高熵合金涂層表面沉積高熵氮化物涂層，獲得高熵化刀具；

43、其中，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述高熵氮化物靶材的成分如下：

44、cr：15.0～25.0％；nb：15.0～25.0％；ta：15.0～25.0％；x：15.0～25.0％；y：15.0～25.0％；不可避免的雜質(zhì)元素：0～1％，x、y選自al、ti、v和si中的任意兩種。

45、進(jìn)一步的，所述采用高熵氮化物靶材在所述高熵合金涂層表面沉積高熵氮化物涂層，獲得高熵化刀具，具體包括：

46、采用高熵氮化物靶材在所述高熵合金涂層表面沉積高熵氮化物涂層，經(jīng)冷卻，獲得高熵化刀具；

47、其中，所述高熵氮化物涂層的沉積工藝在離子鍍?cè)O(shè)備中進(jìn)行，脈沖電壓頻率為5～80khz、功率為0.1～1kw，偏壓-40～-60v，靶電流30～100a,占空比為75％，氮?dú)饬髁?0～120sccm，沉積時(shí)間為30～60min。

48、基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明提供一種鈦合金切削用高熵化刀具，所述高熵化刀具通過上述一種鈦合金切削用高熵化刀具的制備方法制得。

49、本發(fā)明實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

50、1.本發(fā)明一種鈦合金切削用高熵化刀具的制備方法，該方法首先制備出表層具有高熵合金相的金屬陶瓷基體，經(jīng)表面活化處理后，在金屬陶瓷基體表面逐層沉積高熵合金涂層和高熵氮化物涂層，制得的高熵涂層刀具，從基體到涂層多相多層均為高熵材料，充分發(fā)揮了高熵材料的高熵效應(yīng)，可顯著提高刀具的高溫抗氧化性和高溫穩(wěn)定性，可滿足1000℃切削溫度下鈦合金的穩(wěn)定切削。

51、2.本發(fā)明一種鈦合金切削用高熵化刀具的制備方法，該方法在制備表層具有高熵合金相的金屬陶瓷基體時(shí)，通過成分設(shè)計(jì)+逐層壓制+微波燒結(jié)實(shí)現(xiàn)金屬陶瓷基體表層到芯部高熵合金相分布由高到低，其表層富含高熵合金相，并采用化學(xué)試劑對(duì)金屬陶瓷基體表層富含的高熵合金相進(jìn)行斷鍵缺原子處理，使得表面高熵合金層中，嚴(yán)重晶格畸變的高熵合金相出現(xiàn)大面積金屬原子空位，增加其捕捉原子能力，再優(yōu)先沉積高熵合金金屬作為底層涂層，由于其高熵合金金屬原子種類至少有五種可與金屬陶瓷基體表面的大量金屬原子空位結(jié)合，進(jìn)而被空位所捕捉，實(shí)現(xiàn)涂層與基體強(qiáng)結(jié)合，為保證高熵氮化物涂層與底部高熵合金涂層的層間結(jié)合力高，且涂層能夠生長致密，本發(fā)明選取的高熵氮化物涂層中至少有三種元素與底層涂層相同，盡可能增加其間由于化學(xué)親和力而產(chǎn)生的原子相互擴(kuò)散，表面涂層充分利用了陶瓷的耐高溫性能，在切削過程中表面涂層的高溫紅硬性好，在高溫工況下持續(xù)耐磨性能好，有效的解決了由于高溫造成基體鈷相相變和被加工工件的元素向刀具擴(kuò)散所造成的粘接磨損，增加了刀具的使用壽命。

52、3.本發(fā)明一種鈦合金切削用高熵化刀具的制備方法，該方法制備的高熵化刀具中，基體-涂層之間，涂層-涂層之間，均具有含三種以上原子的擴(kuò)散交織層，可顯著提高該高熵化刀具各層之間的結(jié)合力，并且，本發(fā)明金屬陶瓷基體表面為富高熵合金層，涂層底層為高熵合金層，能夠使基體與涂層過渡平緩提高其結(jié)合力，減小涂層與基體之間由于界面效應(yīng)帶來的裂紋萌生，涂層不易剝落，提高了鈦合金加工刀具的使用壽命，有利于降低鈦合金的加工成本。