强流脉冲电子束（精选4篇）
强流脉冲电子束 篇1
强流脉冲电子束(HCPEB)表面改性技术有别于传统表面改性方法,它利用短时间汇聚高能量密度的电子,通过束流方式对材料表面进行照射加工,使被照射材料表面出现快速的熔凝过程。在材料表面重熔过程中,可形成纳米晶或非晶态结构,同时产生应力波和冲击波等物理现象,使材料的表面性能得到改善[1,2,3,4]。本实验利用“RITM-2M”型强流脉冲电子束表面改性设备对40Cr进行表面处理,研究其表面性能的变化。
1 实验
实验材料选用40Cr钢,其化学成分(质量分数,%)为:0.39C,0.25Si,0.64Mn,0.99Cr,0.03S,0.03P,0.25Ni,0.03Cu。试样规格是15mm×15mm×5mm的小立方体。电子束表面处理前,试样经过正火处理,晶粒得到细化,碳化物分布均匀,获得接近平衡状态的组织,表面硬度达到300HV。试样经机械磨光、无水乙醇和丙酮清洗后在俄罗斯产“RITM-2M” 型HCPEB上进行电子束表面处理,具体工艺参数见表1。
采用光学显微镜分析试样的表面及截面组织形貌;采用TR-200手持式粗糙度仪测量表面粗糙度;采用HVS-1000型维氏硬度计测量表面与截面显微硬度;采用HSR-2M型高速往返微摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验,工作条件为无润滑、载荷30N、磨损时间15min,对磨材料为GCr15硬质合金磨球,硬度为58～62HRC;采用Nanomap 500Ls扫描三维表面轮廓仪测量试样的体积损失。
2 结果与讨论
2.1 表面与截面形貌
图1是通过金相显微镜在放大50倍时观察到的40Cr试样经强流脉冲电子束照射不同次数后的表面形貌,可以看到随照射次数的增加试样表面出现大量熔坑,但当照射达到一定次数后,熔坑数又有所减少且熔坑体积变大。观察图1(b)发现,经电子束照射13次后原始试样表面的划痕已经熔化消失,伴随着大量“火山坑”产生并随机分散在试样表面;当照射次数增加到25次时熔坑的面密度明显增大(图1(c));照射次数增加到45次时原本密集的熔坑变得稀疏,熔坑数目锐减,且部分熔坑的体积开始扩大(图1(d))。熔坑形成过程极快且原因复杂,在电子束照射的材料表面区域内,次表层碳化物的热物理性能差异是形成熔坑的主要原因。电子束照射最高能量值一般出现在电子束射程的1/3处,由于基体次表层碳化物先熔化且体积迅速膨胀,此区域基体材料受压最终导致次表层碳化物喷出基体表面,形成熔坑形貌,熔坑中心部位的碳元素含量降低[5]。
图2为在金相显微镜下放大1000倍时观察到的原始试样与电子束照射45次后试样的截面形貌。通过对比观察可以清晰地看到经45次电子束照射后,试样表面有白亮的重熔层,这一白亮层在图2(b)中呈现为沿试样边界的一条白线,宽2～3μm,这可以视为在照射过程中材料表面的熔化层深度;而原始试样的相同位置由于未经电子束处理,边界没有这一现象,只能观察到基体本身的组织。
2.2 表面粗糙度与表面显微硬度
电子束处理前后试样表面粗糙度的变化情况如图3所示。表面粗糙度随照射次数的增加而不断升高,当照射25次时达到峰值,随后再增加照射次数粗糙度开始下降,并围绕一中值上下摆动。结合图 1分析可知,照射次数增加的过程中,熔坑面密度升高是表面粗糙度增加的主要原因,如图1(d)所示,当照射次数达到一定值时熔坑面密度开始下降,试样表面粗糙度开始降低。
图4为不同照射次数下试样的表面显微硬度,在照射次数增加的开始阶段表面显微硬度大幅度提高,当照射次数增加到25次时硬度提高幅度变小,而到达38次时硬度略有下降,达到45次时硬度又升高。由于电子束照射会使材料表面出现快速熔凝,使材料表面晶粒细化,同时伴随着相变和残余应力及微结构应力应变的变化,因此电子束照射会对材料起到表面硬化的作用。但在电子束照射过程中,材料表面温度梯度会随照射次数的增加而变小,被照射区域的重熔程度被削弱。材料次表层的碳化物在照射时不断喷出,并有部分被溅射出基体导致材料表面发生组织相变,这也是导致表面硬度发生变化的主要原因。
2.3 截面硬度
观察图5可知截面显微硬度峰值出现在材料的次表层,分布趋势呈现为不规则的波动曲线,且随与材料表面距离的增加而减弱,最终与原始试样一致,围绕一定值上下摆动。这种截面硬度分布是在脉冲电子束照射时所产生的冲击应力波作用形成的,多次轰击过程中应力波在材料表层向基体内传播时发生叠加,应力分布复杂,材料表层有微加工硬化效应。从图5还可以发现照射次数的增加使电子束的影响层深度有所增大,但硬度的分布也更加复杂多变[6]。
2.4 摩擦磨损性能
图6为不同电子束照射次数下40Cr样品的磨痕金相图(放大50倍),观察磨痕宽度可以发现随电子束照射次数的增加,磨痕变窄,但照射45次后试样磨痕宽度又有所上升。磨痕最窄的是25次照射试样,其磨痕宽度为355.22μm,最宽为原始试样,其磨痕宽度为473.63μm,但45次照射试样磨痕最宽处也达到470.45μm。
观察磨痕底部可以看到由电子束产生的熔坑仍然存在,说明熔坑深度大于磨损层,经Nanomap 500Ls 测量发现熔坑深度可达到15μm。不同照射次数样品的体积损失量如图7所示,3次照射后体积损失加剧,但随照射次数的增加体积损失开始减小,25次照射试样的磨损体积量最小。无论磨痕宽度还是体积损失量都反映出25次照射试样的耐磨性能最佳,比原始试样有所提高。材料的摩擦磨损性能受表面粗糙度、表面硬度、表面组织等因素的影响,电子束照射后样品表面出现的熔坑会影响材料表面粗糙度,但它又提高了材料表面硬度,同时材料表层还会发生一系列的组织相变,电子束照射对材料摩擦磨损性能的影响是上述因素共同作用的结果。
3 结论
40Cr经脉冲电子束表面处理后,表面出现“火山坑”现象,随照射次数增加熔坑数量增多,脉冲次数增加到25次时熔坑面密度达到峰值,但随后熔坑数量开始减少。熔坑的产生导致表面粗糙度升高,熔坑最大深度约为15μm,当照射次数达到一定值时表面粗糙度也开始下降。经电子束表面处理后40Cr组织结构发生改变,表层晶粒明显细化,白亮的熔化层厚度达到2～3μm,样品表面显微硬度明显提高,截面硬度呈现不规则曲线分布,硬度峰值出现在样品次表层。25次电子束照射后试样的耐磨性能得到提高,相同条件下的磨痕宽度及体积损失量都达到最低。
摘要：强流脉冲电子束照射下40Cr试样表面熔坑现象随照射次数的变化而改变。通过金相显微镜观察得到试样表面粗糙度随熔坑的变化趋势,同时观察截面的金相组织,分别测量不同照射次数下试样的表面与截面硬度,在此基础上分析照射次数对试样硬度的影响。采用摩擦磨损试验测试不同照射次数下试样的表面耐磨性能,结果表明经25次照射后试样磨痕宽度减小、磨损体积缩小。
关键词：强流脉冲电子束,40Cr,表面性能,摩擦磨损
参考文献
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强流脉冲电子束 篇2
基片温度对强流脉冲离子束烧蚀等离子体沉积类金刚石薄膜结构和性能的影响
利用强流脉冲离子束(High-intensity pulsed ion beam-HIPIB)烧蚀等离子体技术在Si(100)基体上沉积类金刚石(Diamond-like carbon-DLC)薄膜,基片温度的变化范围从25 ℃(室温)到400 ℃.利用Raman谱、X射线光电子谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)研究基片温度对DLC薄膜的.化学结合状态、表面粗糙度、薄膜显微硬度和薄膜内应力的影响.根据XPS和Raman谱分析得出,基片温度低于300 ℃时,sp3C杂化键的含量大约在40%左右;从300 ℃开始发生sp3C向sp2C的石墨化转变.随着沉积薄膜时基片温度的提高,DLC薄膜中sp3C的含量降低,由25 ℃时42.5%降到400 ℃时8.1%,XRD和AFM分析得出,随着基片温度的增加,DLC薄膜的表面粗糙度增大,薄膜的纳米显微硬度降低,摩擦系数提高,内应力降低.基片温度为100 ℃时沉积的DLC薄膜的综合性能最好,纳米显微硬度22 GPa,表面粗糙度为0.75 nm,摩擦系数为0.110.
作 者：梅显秀 刘振民 马腾才 作者单位：大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,大连,116024刊 名：真空科学与技术学报 ISTIC EI PKU英文刊名：VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：200323(4)分类号：O484关键词：强流脉冲离子束烧蚀等离子体沉积 类金刚石薄膜 结构和性能 基片温度
强流脉冲电子束 篇3
电子束表面处理技术作为一种新型的加工技术,具有高能量、高效率、无介质污染、自动化程度高以及可提高基材表面硬度和耐磨性能等特点[1]。本研究采用Nadezhda-2型强流脉冲电子束(HCPEB)系统对40Cr表面进行处理,研究其摩擦磨损性能的变化情况。
1 实验
1.1 材料
实验材料40Cr钢的化学成分如表1所示。试样规格为12mm×12mm×19mm的小样品。试验样品热处理硬度为40～45HRC,一批试样选用同一种材料,且热处理方法和加工工艺相同。
1.2 方案
根据国内电子束的研究现状,影响电子束表面处理效果的因素主要包括电子能量、电子束能量密度、脉冲宽度、脉冲次数。采用大连理工大学Nadezhda-2型强流脉冲电子束(HCPEB)设备,实验参数见表2。
经电子束处理后的样品在TR-200型粗糙度仪上进行多点采集测试,仪器测量范围:Ra为0.025～12.5μm;显示范围为0.02～160μm;示值误差小于等于10%;示值变动性小于6%。采用MRH-3高速环块磨损试验机进行磨损实验。
2 结果与讨论
2.1 组织分析
当电子束作用到材料表面时,大量的能量瞬间沉积在材料表层中,使表层温度迅速升高,产生熔化、汽化等现象。在熔化和凝固过程中伴随复杂的相变,不同电子束参数照射条件下,获得的组织、相和分布也不尽相同[2]。
图1为40Cr材料的原始XRD图,可以看到有3个衍射峰,与标准图谱对照可知,样品表面成分主要为α铁素体。
图2为电子束照射后40Cr的XRD图。从图2中可以看出,与原始样品相比,经电子束照射后样品的衍射峰都出现不同程度的降低,且都向右偏移,有的样品还出现了新的衍射峰。当靶距小、轰击次数多时,加速电压对表面处理结果的影响程度小,样品表层状态几乎没有发生变化。值得注意的是,当电压为14keV时,马氏体的特征峰消失,晶粒度变大。当靶距较远、轰击次数较多时,加速电压对表面处理结果的影响程度比较明显,样品表层出现了新的衍射峰,表明有新的相产生。原来α铁素体的特征峰降低,且在旁边和中间出现了3个新的衍射峰,经分析,新产生的特征峰对应的相为FeCr0.29Ni0.16C0.06奥氏体。
2.2 截面硬度
材料的截面硬度是影响耐磨性的重要因素之一。本研究对经电子束处理后样品截面沿深度方向的显微硬度分布特性进行了测试,测试工作在HVS-1000型数字显微硬度计上进行,测试结果如图3所示。
从图3中可以看出,材料经电子束处理后近表层发生了硬化现象。经脉冲电子束8次轰击后(见图3(a)),表面以下约750μm范围内显微硬度提高,远远超过热影响区范围,最大硬度值出现在表面下约80μm处,达555HV,与原始试样相比增幅达50%左右,这是由于轰击诱发的应力波作用的结果。脉冲次数增加到25次后(见图3(b)),硬度影响范围增加到1500μm左右的深度,硬度峰值以及峰值位置比8次轰击后稍有增加,变化不显著,这可以用加工硬化的观点来解释。由此可见,在相同能量下,随脉冲次数的增加,截面硬度幅值稍有增加,影响深度增大。
从图3中还可以看出,截面显微硬度值呈特殊的振荡曲线分布,这种特殊的硬度分布是由于冲击应力波作用形成的。脉冲电子束作用下产生冲击应力波,应力波在材料内部传播,多次轰击会造成应力波相互间发生叠加,呈现复杂的应力分布状态[3]。应力波的存在还会造成位错密度增加,位错运动时易引起位错缠结,阻碍位错运动,使塑性变形困难,从而提高材料强度。因此,材料截面显微硬度出现这种特殊的分布,而且随脉冲次数的增加,硬度振荡也越复杂。
2.3 表面粗糙度
降低摩擦系数可较明显地减少表面的磨损。原始试样的表面粗糙度平均值为0.417,经电子束照射后大部分试样的表面粗糙度有降低的趋势,经分析,材料的表面粗糙度与熔坑的大小和密度有关[4]。
在保证加工效果的前提下,当靶距较远时,经一定的照射次数可以获得较小的材料表面粗糙度。表3为照射距离为200mm时在不同参数电子束照射下材料的表面粗糙度。
2.4 摩擦磨损性能
本研究主要考察材料摩擦性能和磨损性能随电压的变化。电子束照射条件:照射次数为15次,靶距为100mm。摩擦磨损试验在MRH-3型高速滑块磨损试验机上进行,配对试样为GCr15(58～62HRC)。试验载荷为500N,转速为400r/min,磨损时间为200s[5,6]。表4为不同电压下试样的摩擦磨损状况。
图4为不同加速电压下摩擦系数的变化。从图4中可看出,摩擦系数呈先升后降的趋势,这可能是受以下几个因素的影响:(1)材料照射前的表面粗糙度状况;(2)熔坑的形貌、分布情况影响照射后的表面粗糙度;(3)电子束照射引起的材料表层组织的变化也会使摩擦系数发生改变。
图5为不同加速电压下材料表面的磨损量变化曲线,从中可以看出,磨损量随加速电压的增大呈减小的趋势,因此耐磨性提高。
3 结论
(1)当电子束的射束作用到40Cr材料表层时,伴随着复杂的相变,不同电子束参数照射条件下获得的组织、相和分布也不尽相同。(2)电子束照射下40Cr材料的表面硬度提高,表面粗糙度降低。(3)不同加速电压下摩擦系数的变化受材料照射前表面粗糙度状况、照射后熔坑形貌和分布密度的影响。此外,电子束照射引起的材料表面组织变化也会使摩擦系数发生改变。(4)随照射时加速电压的增大,40Cr材料的耐磨性有所提高。
摘要：利用强流脉冲电子束对40Cr钢进行表面改性处理,分析了处理后的金属组织、表面硬度、截面硬度、表面粗糙度以及摩擦磨损性能。结果表明,不同加速电压下摩擦系数的变化受材料照射前表面粗糙度状况、照射后熔坑的形貌和分布密度的影响,此外,电子束照射引起的材料表面组织的变化也会使摩擦系数发生改变,随电压的增大材料的耐磨性提高。
关键词：强流脉冲电子束,40Cr,截面硬度,摩擦系数,耐磨性
参考文献
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强流脉冲电子束 篇4
关键词：强流脉冲电子束,TiAlN涂层刀具,力学性能,切削性能
随着制造技术的高速发展, 汽车、航天、模具等行业对刀具的切削性能提出了更高要求, 高转速、小切深、大进给的加工技术要求对涂层刀具需求量日益提高[1]。TiAlN涂层刀具作为一种新型涂层刀具, 具有更为优异的硬度、耐磨损和抗高温氧化性能, 逐步替代了TiN涂层刀具[2]。但是, 由于TiAlN硬质涂层存在着很大的残余应力、表面液滴数量较多、涂层致密性差等缺点[3], 因而极大地影响涂层的微观结构和力学性能, 从而使其涂层的质量显著降低。因此, 采用TiAlN涂层刀具后处理的方法在刀具涂层完毕之后进行相应的表面处理以提高涂层性能, 不仅可以提高涂层表面的硬度和耐磨性, 而且可以降低涂层的残余应力, 提高涂层的表面光洁度, 使刀具在切削过程中的切削阻力明显减小, 提高加工效率。目前, 涂层刀具的后处理方法主要有激光表面处理、深冷处理、抛光处理技术[2]等, 但是, 由于这些方法存在控制温度准确、处理时间较长等缺点, 还未在工业生产中受到足够重视。
强流脉冲电子束 (High Current Pulsed Electron Beam, HCPEB) 作为一种新兴的高能束表面处理技术[4,5,6,7,8], 具有能量利用率高、加热和冷却速率快、定位准确、参数易于调节等优势。近年来, 宋振飞等[9]采用强流脉冲电子束对热障陶瓷涂层进行表面后处理, 涂层性能得到改善。Anthony等[10]对PVD沉积的TiN涂层硬质合金刀具采用不同束流密度进行电子束的后处理, 研究发现, 表面会出现一定裂纹, 但残余应力减小, 涂层致密度很高。束流密度在3J/cm2时可以大幅降低后刀面磨损, 明显提高了刀具的切削性能。本工作采用在不同的电子束能量条件下, 对TiAlN涂层刀具进行表面后处理, 研究不同的轰击次数对涂层表面性能的影响, 并在不同切削速率下测试涂层刀具的切削性能, 最终获得最佳的工艺参数及表面质量良好的TiAlN涂层刀具。
1 实验材料及过程
选取硬质合金TiAlN涂层刀具作为实验样品, 该样品是具有nc-TiAlN涂层和超细颗粒的WC-Co相强韧性基体, TiAlN晶粒尺寸约为50nm, 涂层厚度约为4μm。采用SOLO-HCPEB强流脉冲电子束设备对硬质合金刀具涂层进行轰击实验。刀具TiAlN涂层处理工艺参数:加速电压13kV, 脉冲电流180A/cm2, 脉宽5μs, 平均能量密度6J/cm2, 脉冲频率1Hz。轰击位置选择在刀具表面距刀尖处的前刀面, 轰击次数分别为0, 20, 30, 40次。
利用Ultima IV型X射线衍射仪 (XRD) 、S-3400N型扫描电子显微镜 (SEM) 、FM-300超微载荷显微硬度计和TR100粗糙度仪等观察样品的物相组成和表面形貌, 并检测显微硬度和样品的表面粗糙度。在普通车床上进行TC4钛合金 (HRC30) 切削实验, 并测量切削不同轴向长度时刀具后刀面最大磨损量VBmax, 一般失效标准取0.3mm[11], 并分析比较轰击前后涂层刀具的切削性能。
2 结果与分析
2.1 轰击次数对TiAlN涂层微观结构的影响
图1为不同轰击次数下硬质合金刀具TiAlN涂层的表面形貌。可以看出, 原始刀具涂层表面比较平整, 粗糙度经检测为0.28μm (图1 (a) ) ;经脉冲电子束轰击20次后 (图1 (b) ) , 表面粗糙度为0.24μm, 表面组织致密。而40次轰击则使刀具涂层大部分脱落 (图2 (d) ) , 暴露出基体, 表面粗糙度升高, 达到0.26μm。由温度场模拟结果[9]显示, 电子束轰击材料表面, 位于表面下的亚表层能量沉积最大, 亚表层首先形成熔坑喷发。但由于涂层材料热导率低的特点, 在较短时间内电子束轰击在涂层材料表层, 累积的能量来不及向深层传导, 所以涂层表层首先熔化[9,10,12]。而较少次数轰击时, 涂层表面注入能量较小, 形成了许多微小起伏, 刀具涂层表面较粗糙。随着轰击次数增加, 表层沉积的能量逐渐增多, 大部分微小起伏被烧蚀破坏, 而有一部分随着等离子体喷发, 反复熔融和烧蚀使表面起伏形态扩展, 在微区范围内呈现表面致密、光滑化特征[12,13]。
此外, 由图1还可以看出, 经轰击后的刀具涂层表面均出现了不同程度的微观裂纹, 且轰击次数增加到20次时, 微观裂纹明显减少。但随轰击次数继续增加, 微观裂纹数量又不断增加。微观裂纹的出现, 是由于强流脉冲电子束的功率密度非常高[5], 熔化层与未受到加热作用的基体之间的热传导作用, 造成涂层与基体形成很大的温度梯度产生热应力, 很容易在涂层间隙处诱发微裂纹[5,14]。随着轰击次数增多微观裂纹减少, 这是由于电子束轰击刀具涂层表面产生的冲击压应力以及热冲击作用对刀具涂层内部造成特殊的应力分布[14]。随后, 快速冷却后作用区域就会产生一定的残余应力, 在应力集中的地方而产生塑性变形, 进而导致微观裂纹的再次产生[10,14]。
图2为不同轰击次数下涂层刀具的截面形貌照片以及从刀具涂层表层向基体方向一定深度范围内的Al, W元素含量变化。可见, 随着轰击次数增多, 涂层厚度不断减小。涂层的减薄, 一方面是由于在裂纹成核和扩展过程中, 应力集中和空位扩散起主要作用, 裂纹扩展到表面就会产生涂层剥落[13];另一方面, 电子束作用在刀具涂层表面瞬间沉积巨大能量, 导致刀具涂层表面急剧升温, 并发生熔融、汽化、烧蚀现象, 造成刀具涂层表面部分TiAlN涂层发生汽化消失[5,9]。
对从刀具涂层表面向基体方向一定深度范围内的Al, W元素的定量分析结果可知, 随着轰击次数增加, 部分Al原子会扩散到基体中, 并且固溶在近涂层基体中, 起到固溶强化作用[15,16]。刀具基体和涂层界面变得模糊, 改善了刀具涂层和基体结合力。此外, 由于刀具涂层很薄, 基体中的WC和Co相也不同程度受到了连续的热冲击作用, 从图2 (b) , (c) 中发现近涂层的基体在沿着深度方向范围内产生影响, 形成空洞等缺陷, 并且, 随着轰击次数的增加, 缺陷数量也随之增加。近涂层基体缺陷的增加, 是由于HCPEB作用下瞬间实现材料表面的高能量密度沉积诱发热-力学效应, 在基体上产生冲击热应力和高强度反冲冲量, 形成由表及里传输高幅值应力波, 导致远大于电子射程的深度内富Co区域Co相发生了选择性脱落, 而WC相也会发生重熔现象[17,18]。正是由于Co相的脱落和WC相的无定型重熔, 使得涂层与涂层附近的基体产生缺陷。
2.2 轰击次数对涂层物相组成的影响
图3为不同轰击次数下TiAlN涂层的XRD图谱。可知, 原始刀具TiAlN涂层主要是由 (Ti, Al) N和Ti2AlN相组成。电子束轰击后的刀具涂层中没有新相形成, 与原始刀具涂层相比, 随着轰击次数的增加, 20次和30次的刀具涂层衍射峰逐渐宽化, 根据谢乐公式[19]计算得知, 刀具涂层表面的晶粒得到了细化, 这与一维温度场模拟所得到的结果相符[9]。同时, 从图3中还可以发现, 在经过脉冲电子束处理后, 涂层中的 (Ti, Al) N相和Ti2AlN相衍射峰有一定的高角度偏移, 偏移最严重的是30次轰击样品, (Ti, Al) N相偏移角度小于0.25°。由布拉格衍射公式[19]可知, 其晶面间距减小。这是由于电子束作用在刀具涂层表面, 在发生重熔、快速凝固过程中产生的冲击压应力, 使晶格收缩[20,21]。同时, 轰击后的 (Ti, Al) N涂层相内部也会产生残余热应力[21,22], 使晶格膨胀。因此, 脉冲电子束的多重作用使涂层 (Ti, Al) N衍射峰发生了一定的偏移。
2.3 轰击次数对TiAlN涂层刀具显微硬度的影响
采用0.49N的载荷、不同轰击次数下TiAlN涂层刀具的显微硬度测试结果如图4所示。轰击20次时的平均显微硬度HV为3114.61, 比原始样品提高了7.8%。而轰击30次和40次时显微硬度明显降低。TiAlN涂层刀具硬度的提高是由于材料表面受到电子束多次轰击后, 使涂层表面及基体内部结构发生了变化, 如快速加热冷凝、晶粒尺寸减小、存在一定的残余应力等, 这些变化的综合作用使涂层刀具表面的硬度提高[23]。然而, 当轰击次数增加到30次和40次时, 硬度有明显下降的趋势。其主要原因是, 一方面, 电子束轰击作用后的涂层刀具所产生的高硬度并非涂层的本征硬度, 涂层刀具经过多次轰击作用使得高硬度性能处于亚稳定状态, 这与文献[24]阐述的观点一致。另一方面, 涂层的高硬度还与内部残余应力状态有关, 这种快速的加热、熔化、凝固过程在热影响区所产生的残余应力, 一部分通过塑性变形产生的裂纹释放, 另一部分可以通过材料的高温蠕变来降低较高的残余应力。因而, 涂层内部产生的亚稳定状态和残余应力的释放等综合作用使得刀具的显微硬度和强度下降。
2.4 轰击前后TiAlN涂层刀具的切削性能
基于前述, 脉冲电子束轰击20次的刀具TiAlN涂层表面致密、光滑, 显微硬度有所提高, 因此, 选择轰击20次后的涂层刀具与原始涂层刀具进行钛合金切削实验对比。在切削实验中, 原始刀具的切削速率为77m/min, 脉冲电子束轰击20次后的刀具切削速率提高至88m/min, 切削速率提高了14%。对轰击前后涂层刀具的后刀面磨损量VBmax进行比较, 结果如图5所示。可见, 当轴向切削200mm时, 后刀面磨损量随着切削速率增加而明显减小。原因是电子束轰击后的涂层表面具有较小的粗糙度和高硬度等良好的力学性能, 从而在一定程度上提高了刀具表面耐磨性能。因此, 后处理后的TiAlN涂层刀具在较大切削速率下仍然保持良好的涂层质量, 切削力明显降低, 提高了加工效率, 切削性能进一步提高。然而, 随着切削速率的增加, 当刀具磨损量达到0.3mm时, 轴向切削长度由原来的950mm下降至710mm。这是因为切削速率的提高使得刀具与工件之间摩擦加剧, 刀具后刀面与加工表面、已加工表面的接触状态发生了变化, 特别是刀具后刀面发生严重磨损后, 直接影响刀具的切削温度、切削力以及加工的表面质量[25,26,27,28], 导致刀具切削寿命降低。
3 结论
(1) 经过强流脉冲电子束20次轰击后, 刀具TiAlN涂层表面粗糙度和表面微裂纹减少, 表面组织致密。但过多的轰击次数使刀具涂层不断减薄, 易对涂层刀具薄弱区域造成破坏。
(2) 脉冲电子束轰击后的刀具涂层中没有新相形成。随着轰击次数的增加, (Ti, Al) N衍射峰有逐渐宽化且峰位发生偏移的现象, 表明涂层中晶粒细化;同时, 显微硬度先小幅增加, 后急剧下降。其中, 与原始样品相比, 经20次轰击后的刀具表面硬度提高了7.8%。