高性能硬质合金刀片全方位设计方案

一、应用场景

针对钛合金、高温合金等难加工材料的加工需求，广泛应用于航空航天发动机制造、能源领域涡轮叶片加工等高精度、高效率加工场景。

二、基体配方

成分 占比 作用

碳化钨（WC） 87wt% 作为主要硬质相，提供高硬度和耐磨性，确保刀片在切削过程中保持锋利的刃口，抵抗磨损。

碳化钛（TiC） 4wt% 显著提高刀片的高温硬度和抗氧化性，增强对高温合金在高温切削环境下的切削能力。

碳化钽（TaC）/碳化铌（NbC） 2.5wt% 有效细化晶粒，大幅度提升刀片的硬度、耐磨性以及抗热震性能，使其能适应复杂的切削工况。

钴（Co） 6.5wt% 作为粘结相，增强各硬质相之间的结合强度，赋予刀片良好的韧性，防止刀片在切削时发生脆性断裂。

三、生产工艺

1. 混合：采用行星式高能球磨法，将WC、TiC、TaC（或NbC）、Co等粉末按精确比例加入球磨机，以碳化钨球为研磨介质，球料比为10:1。在无水乙醇溶液中，以400r/min的转速球磨72小时，确保各成分均匀混合，最终平均粒径达到0.5 - 1μm。

2. 压制：在混合粉末中添加质量分数为1.5%的石蜡作为成型剂，通过三维搅拌设备充分搅拌均匀。随后，采用等静压成型工艺，在180MPa的压力下保压5分钟，制成所需的刀片坯体，保证坯体密度均匀。

3. 烧结：将坯体置于真空烧结炉中，以10℃/min的升温速率升温至1430℃，保温1.5小时，促进粉末之间的原子扩散和结合，提升刀片密度和硬度。之后随炉冷却，避免产生热应力。

4. 回火：在530℃的温度下进行回火处理3次，每次保温1.5小时，有效消除内应力，稳定组织结构，提高刀片的综合性能。

四、涂层设计

1. 涂层材料：选用氮化钛铝（TiAlN）涂层，其中Al含量控制在35at%。该涂层在高温下能形成致密的氧化铝保护膜，大幅提高刀片的高温硬度、耐磨性和抗氧化性，适应钛合金和高温合金加工时的高温环境。

2. 涂层工艺：采用物理气相沉积（PVD）中的磁控溅射法。在2.5Pa的氩气氛围下，将钛、铝靶材在高温和强磁场作用下离化成离子，以300V的偏压将离子加速沉积到刀片表面，沉积速率控制在0.3 - 0.5μm/h，涂层厚度达到2.5μm。

五、周边精磨工艺

1. 粗磨：选用碳化硅砂轮，粒度100目，磨削速度32m/s，进给量0.08mm/次。通过粗磨去除刀片周边大部分余量，保证尺寸精度控制在±0.1mm，为后续加工奠定基础。

2. 半精磨：采用金刚石砂轮，粒度250目，磨削速度37m/s，进给量0.03mm/次。进一步提高尺寸精度至±0.05mm，同时将表面粗糙度降低至Ra0.8 - 1.2μm，使刀片表面质量得到明显改善。

3. 精磨：使用树脂结合剂金刚石砂轮，粒度600目，磨削速度42m/s，进给量0.008mm/次。通过精磨使刀片尺寸精度控制在±0.01mm，表面粗糙度达到Ra0.2 - 0.4μm，满足高精度加工的要求。