鈦合金加工難題的突破

隨著鈦萃取技術的進步，鈦的產量不斷增加，價格卻不斷下降。然而，鈦合金在人們的日常生活中仍然很少見，仍然是奢華和享受的代名詞。這是因為鈦合金優異的性能… 鈦合金 它們的加工和製造也帶來了許多困難。

鈦合金的加工特性

首先，鈦合金的熱導率極低，約15W/(m·K)，僅45號鋼的1/5至1/7，且切削溫度較高。其次，鈦合金的彈性模數較小，切削過程中的回彈會導致摩擦力增大，造成刀具振動。第三，鈦合金具有較高的化學活性，其表面硬化層會為切削刀具帶來衝擊負荷。同時，高活性在高溫下容易與刀具材料發生黏附、擴散和化學反應。

如圖 1 所示，這些問題的疊加形成了一個相互加強的系統，這大大增加了加工難度，加速了刀具磨損。

現有解決方案

為解決鈦合金切削問題，首先要解決鈦合金切削黏附現象。大量研究表明，自潤滑TiB2塗層是最佳解決方案。然而，當採用高功率脈衝磁控濺鍍（HIPIMS）技術製備用於粗加工的TiB2塗層時，陶瓷膜結合力不足和韌性不夠等缺陷無法克服，導致切削性能顯著下降。

電弧技術無疑能賦予塗層高附著力和高韌性。然而，在精密加工的高溫高壓工作條件下，單一的電弧塗層無法提供像TiB2那樣優異的潤滑性能。

當 Arc+HiPiMS 出現時，驚喜將會出現

如圖 2（A）所示， Huasheng's 自主研發的HA800複合塗層技術平台將HiPiMS和電弧塗層技術融為一體，大大拓展了塗層製程的研究和開發空間。

針對鈦合金切削的特殊要求，華昇公司研發了HSR116塗層。首先，採用電弧技術製備了具有高附著力和高韌性的複合薄膜。隨後，利用HiPiMS技術在複合薄膜表面覆蓋了一層高硬度、自潤滑的TiB2陶瓷塗層。

如圖3（B）所示，HiPiMS製備的TiB2塗層與基底緊密結合。 TiAlXN塗層 採用電弧法製備。最終，硬質合金基體-電弧塗層-TiB2陶瓷層形成了一個具有高結合力、硬度梯度和高強度的整體工具。

圖 2

（A）HA800複合塗層平台；

（B）HA800內部結構示意圖及HSR116塗層HIPIMS及電弧雙層結構的SEM圖

在TC4的實際切削試驗中，HSR116塗層刀具展現出優異的通用性和耐磨性。在精加工過程中，其使用壽命與純磁控TiB2塗層刀具相同，遠長於TiAlN塗層刀具。

在粗加工中，兩種塗層都具有明顯的優勢。具體的切削數據如圖3所示：

圖 3 顯示了華昇 HSR116 塗層、市售 TiAlN 塗層和市售 TiB2 塗層的側銑精加工和粗加工的切削壽命資料。

具體分析了HSR116塗層和TiAlN塗層的側銑精加工情況。如圖4（C、D）所示，TiAlN塗層附著力嚴重，切屑衝擊導致大量基體暴露。而HSR116塗層切削後表面保持清潔，無黏附物，僅在切割刃處有磨損，顯示其具有良好的抗黏附性和耐磨性。

圖 4

（A）HSR116和TiAlN塗層刀具側銑精加工資料表

（B）側銑精加工條件

（C）TiALN塗層刀具前刀面

（D）HSR116塗層刀具前刀面

顯然，這樣的 塗層切削刀具 這將不可避免地大幅降低鈦合金的加工成本，使這種未來金屬真正融入人們的日常生活。讓鈦合金手機、鈦合金自行車甚至鈦合金汽車不再是昂貴的奢侈品或科幻概念。