用于高速切削镍基高温合金的陶瓷刀具研制及其性能研究

用于高速切削镍基高温合金的陶瓷刀具研制及其性能研究镍基高温合金的难加工性主要表现为刀具磨损严重,本文针对高速切削镍基高温合金时刀具磨损特点,从提高刀具抗磨损性能的角度出发,研究了刀具失效寿命与刀具材料性能之间的关系,建立了陶瓷刀具材料力学性能预测模型,研制了具有良好切削性能的新型陶瓷刀具,该刀具能够较好地高速干切削镍基高温合金GH4169。建立了陶瓷刀具破损寿命、磨损寿命与材料性能之间的关系模型，提出了用于高速切削镍基高温合金的陶瓷刀具材料性能的设计目标。结果表明，与断裂韧度相比，陶瓷刀具材料抗弯强度对刀具破损寿命的影响更显著;硬度对陶瓷刀具后刀面磨损寿命的影响大于断裂韧度;陶瓷刀具材料的断裂韧度对边界沟槽磨损寿命的影响大于硬度;陶瓷刀具材料晶界处的残余压应力场和晶粒细化效应能提高陶瓷刀具的抗磨损性能。建立了陶瓷刀具材料断裂韧度、硬度和纳米颗粒最优含量的预测模型，分析了抗热震性能;设计了陶瓷刀具材料的组分及其含量。预测了晶须增韧陶瓷刀具材料的断裂韧度，确定了SiC晶须的含量为20vol%。分别基于残余热应力和渗流集群理论,建立了纳米颗粒的最优含量计算方程，确定了纳米TiCn颗粒的最佳含量为4vol%。建立了复合陶瓷刀具材料的硬度预测模型，实测硬度值与理论硬度值吻合较好,其误差范围为-0.15〜-+3.21%。设计了陶瓷刀具材料组分及含量，即76vol%的A1203基体、20vol%的SiC晶须和4vol%纳米TiCn颗粒。研究了陶瓷刀具材料的制备工艺，研制了新型复合陶瓷刀具材料，揭示了纳米颗粒和晶须复合陶瓷刀具材料的增韧机理。研究了纳米颗粒和晶须复合陶瓷材料粉体的混料工艺，提出了真空干燥前在超声振动环境中去除大部分有机溶剂的工艺,获得了分散良好的复合陶瓷粉体。改进了常规热压烧结工艺,通过改变常规热压烧结过程中所采用的隔离材料软石墨纸,将其替换为高强石墨粉,有利于气体排出,提高了陶瓷刀具材料的相对密度。验证了纳米颗粒最优含量预测方程的正确性。获得了最优烧结工艺，即烧结温度1700°C、保温时间30min和烧结压力30MPa。在最优烧结工艺下获得的陶瓷刀具材料的力学性能为硬度21.18GPa、断裂韧度6.04MPa・m1/2和抗弯强度744.05MPa。研究了纳米颗粒和晶须复合陶瓷刀具材料的增韧机理，纳米颗粒在刀具材料中引起穿晶断裂和裂纹扩展方向的改变，提高了刀具材料的断裂韧度。研究了新型复合陶瓷刀具材料A12O3-20vol%SiCw-4vol%TiCn（简写为ASWT）和A1203-20vol%SICw（简写为ASW）的高温硬度、断裂韧度和抗弯强度的变化规律；并研究了高温下微观组织的演变过程，分析了其对力学性能的影响。结果表明，纳米TiCn颗粒有利于提高复合陶瓷材料高温硬度和断裂韧度，进而提高陶瓷刀具材料的抗磨损能力。纳米TiCn颗粒虽然提高了陶瓷刀具材料的室温抗弯强度，但是降低了材料的高温抗弯强度。两种陶瓷刀具材料的硬度随着温度（20〜1000C）的升高呈近似线性下降的趋势;其断裂韧度随着温度的升高先减小后增加，在1200C时出现峰值。研究了陶瓷刀具材料高温力学性能变化的机理;对于高温硬度，晶内型结构是引起ASWT陶瓷刀具材料高温硬度较高的重要原因；对于高温断裂韧度,SiC晶须氧化（1200C）产生液相，抑制了裂纹扩展和材料塑性变形是引起刀具材料断裂韧度出现峰值的主要原因；对于高温抗弯强度，纳米TiCn颗粒细化了陶瓷刀具材料的晶粒，形成更高的晶界比;高温下晶界弱化和滑移，降低了纳米陶瓷刀具材料的高温抗弯强度。研究了ASWT新型陶瓷刀具高速切削镍基高温合金的切削性能和摩擦特性，拟定了刀具刃型和切削参数范围。采用陶瓷销-高温合金环式摩擦副,研究了ASWT陶瓷刀具材料与镍基高温合金GH4169对摩时的摩擦特性，确定了仿真切削速度范围为250〜400m/min。模拟研究了ASWT陶瓷刀具高速干切削镍基高温合金GH4169的切削过程。根据切削时陶瓷刀具的温度和应力分布，确定了刀具刃型为圆角型;拟定了ASWT陶瓷刀具高速干切削镍基高温合金GH4169的切削速度为250-400m/min,进给速度为W0.08mm/r。研究了ASWT新型陶瓷刀具高速干切削镍基高温合金GH4169的切削性能。结果表明，切削参数对材料去除量的影响次序为切削速度>进给速度>切削深度,ASWT陶瓷刀具高速干切削镍基高温合金GH4169的切削速度为400m/min、进给速度为0.04mm/r、切削深度＜3.0mm;ASWT陶瓷刀具的材料去除量为192000mm3,刀具寿命为240s,比商用陶瓷刀具CC670的寿命提高了50%;陶瓷刀具干切削时的失效形式是后刀面磨损和边界沟槽磨损。高温下陶瓷刀具材料的氧化作用形成了熔融氧化物,对刀刃处热裂纹起到愈合作用，抑制了刀具破损。研究了ASWT陶瓷刀具高速湿切削镍基高温合金GH4169的切削性能。结果表明,湿切削时的最优切削速度为400m/