目前,刀具涂层工艺通常为采用多弧离子镀膜方式或磁控溅射镀膜方式在固体阴极靶材上蒸发金属，沉积在刀具基体上形成膜层，其膜层从TiC、TiN二元模式发展为以Ti、N为主要元素的多元复合膜层。TiAlN膜层是在Ti、N二元膜层的基础上发展起来的一种三元复合膜层，随Al元素的存在，面心立方结构的TiN中部分Ti原子被半径较小的Al原子
替代，产生晶格畸变[1-2]，从而显著提升膜层的硬度、耐磨性、耐高温氧化性。随TiAlN涂层的应用，刀具的寿命有了较大提升，强有力地推动了高速、高精度机加工领域的发展。
对于TiAlN膜层，人们研究的重点主要集中于与镀膜设备相关的镀膜工艺[3-5]、靶材元素比例[6-7]、靶材的主要加热压制类别等[8]，而对原料粉末的预处理工艺上很少有企业进行严格的控制，也少有人进行相应的研究。本文使用氢化脱氢Ti粉、氮气雾化Al粉两种原料，在传统HIP工艺（混粉-除气-HIP）基础上增加粉末预处理工艺，调整粉末预处理工艺中的原料球磨时间，研究粉末预处理工艺对AlTi合金的氧含量及Al基体晶粒尺寸的影响。
1、试验材料与方法
试验所用原料Ti粉为80目的氢化脱氢Ti粉，纯度为99.9wt%（粉末的纯度一般是指固体杂质含量），氧含量为0.32wt%；试验所用原料Al粉为80目的氮气雾化Al粉、纯度为99.9wt%、氧含量为0.25wt%。
粉末预处理工艺1-球磨工艺：将氧化锆球和原料Ti粉按照重量比4∶1的比例放入可倾式球磨机罐体中，充入氩气并加入异丙醇进行球磨，球磨时间为2h；以同样方式对Al粉进行球磨。粉末预处理工艺2-离心分离工艺：分别将球磨过后的Ti粉和Al粉用异丙醇冲出，使粉末与陶瓷球分离；将Ti粉、Al粉分别放入离心分离机中，分离得到Ti粉和Al粉。
粉末预处理工艺3-混合工艺：将离心分离出的Al粉和Ti粉按照原子比33∶67的比例放入三维混合机中，在氩气保护环境下混粉2h，在氩气保护下出粉并装入包套。热等静压工艺：将包套抽真空后放入热等静压机中进行压制成形，压制工艺为压力150MPa、温度400℃、时间2h。
同一批AlTi合金制备的球磨工艺设置相同的球磨机转速参数，经过粉末预处理工艺的TiAl合金共制作3个批次，球磨机转速分别为100、200、300r/min。使用氮氧分析仪检测热等静压AlTi合金样品的氧含量，使用金相显微镜和扫描电镜检测热等静压AlTi合金样品的组织形貌。
2、试验结果及讨论
2.1粉末预处理工艺对氧含量及致密度的影响
不同粉末与处理工艺下经热等静压所得的AlTi合金组织氧含量及致密度情况如表1所示，其中不经粉末预处理工艺的AlTi合金在球磨转速一栏标记为0。随着球磨预处理工艺中转速的提升，所得AlTi合金的氧含量逐渐降低。转速提升到300r/min时的靶材氧含量与不经预处理工艺时的靶材氧含量降低了58.6%，效果较为显著。由于Ti、Al两种金属化学性质较为活泼，在储存过程中易在粉末颗粒表面形成一层脆性氧化膜。Ti颗粒较硬较脆，颗粒边界的棱角和颗粒表层的氧化膜在球磨过程中经受撞击会发生破碎并脱落；Al由于塑性较好，其粉末表层的氧化膜在脱落的同时还可能被挤压进颗粒内部。这种脆性氧化膜经过球磨破碎，与原始粉末逐渐脱离开，再经离心分离工艺随着异丙醇一起排出，从而降低了Ti、Al两种粉末的氧含量。
当靶材致密化程度低时，即靶材组织孔洞数量多时，靶材的力学加工性能会变差，靶材在镀膜过程中的开裂趋势会增加。在多弧离子镀膜过程中，这些孔洞周围的材料融化时会受热急剧膨胀出现“爆炸”现象[9]，使周围的金属以大液滴的形式离开靶材表面，当这些大液滴沉积到生长着的刀具表面膜层时会形成大颗粒，恶化刀具表面膜层的性能，从而影响刀具的切削性能和使用寿命。未经粉末预处理工艺制备的靶材组织与球磨转速为100r/min时的粉末预处理工艺制备的靶材组织对比如图1所示。当原材料氧含量较多时，HIP压制时的致密化过程会受到影响，靶材组织容易被这些氧化膜隔离开，形成部分孔洞。增加粉末预处理工艺使制备的靶材组织的孔洞数量明显降低，致密化程度有了较明显的改善。
2.2对显微组织的影响
经热等静压所得的AlTi合金中Al相的显微组织如图2所示。未经球磨工艺处理的试样Al基体晶粒较为粗大，经过球磨工艺处理后Al基体的晶粒变得细小，且随着球磨转速的增加晶粒逐渐变得细小均匀。未经粉末预处理工艺的Al基体平均晶粒尺寸一般大于10μm，当粉末预处理工艺中球磨机转速达到300r/min时靶材中Al基体的平均晶粒尺寸可达到2μm，晶粒细化效果非常明显，这对提高靶材的镀膜工艺性能有帮助。靶材中Al基体的微观组织状态受球磨和热等静压两个工艺的复合影响，在热等静压工艺稳定的情况下，球磨转速的不同对Al基体组织的影响占据决定性因素。
在整个AlTi合金制备工艺中，Al粉在球磨时由于互相碰撞会产生塑性变形；热等静压时，在压力150MPa和温度400℃的综合作用下，Al颗粒发生塑性变形并填充Ti颗粒周围不规则的区域，在此过程中Al会发生回复和再结晶行为。整个AlTi合金的制备过程，主要目的之一就是细化Al基体相的晶粒，主要表现为热等静压过程中的再结晶行为。其中热等静压过程提供的应变能是一致的，球磨给予Al颗粒的应变能对促进热等静压中的再结晶行为起到了决定性作用。
3、结论
（1）在传统热等静压工艺前添加转速为300r/min的球磨工艺，离心分离工艺，获得了低氧含量、高致密度、细Al晶粒的铝钛合金靶材制备方法，氧含量可控制到0.12wt%的水平，致密度达99.9%，Al基体晶粒尺寸可控制到2μm的水平。
（2）随粉末预处理工艺中球磨转速的提升，Ti颗粒和Al颗粒表面的脆性氧化物破碎脱落的程度逐渐增加，所制备AlTi合金的氧含量逐渐降低，致密度逐步提升。
（3）随粉末预处理工艺中球磨转速的提升，Al粉中的应变能逐渐提高，为热等静压过程中Al相的再结晶行为提供了更大驱动力，使铝钛合金中Al基体晶粒更加细小均匀。
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