论文部分内容阅读
微叠层复合陶瓷刀具材料是一种仿生结构材料,它模拟了自然界中贝壳的微观组织,可有效提高陶瓷材料的断裂韧度,成为当前陶瓷材料的研究热点。本研究的目的是研制微叠层复合陶瓷刀具,用于加工镍基高温合金,提高其加工效率。根据微叠层复合陶瓷刀具材料基体层与微叠层选用原则,本研究选用Al2O3-TiN-(W,Ti)C为基体层材料,代号为ANWT,选用Al2O3-TiC为微叠层材料,代号为A15T；层数选定为5、7和9层,微叠层厚度选定为200μm、150μm和100μm。优化了Al2O3-TiC微叠层复合陶瓷刀具材料的烧结温度和保温时间。结果表明,最佳烧结温度和保温时间分别是1650℃和30min。当烧结温度过高或过低时,微叠层复合陶瓷刀具材料的晶粒大小不均匀,界面结合疏松。当保温时间延长时,材料的力学性能先升高后降低,保温时间延长到50min时,基体层和微叠层材料的晶粒迅速长大,降低了材料的力学性能。用ABAQUS有限元软件分析微叠层复合陶瓷刀具材料的残余应力。由于微叠层复合陶瓷材料中基体层与微叠层之间热膨胀系数失配,在基体层中产生径向残余拉应力,在微叠层中产生径向残余压应力,提高微叠层复合陶瓷材料的力学性能。研究了层数与微叠层层厚对Al2O3-TiC微叠层复合陶瓷刀具材料力学性能、残余应力和微观组织的影响。结果表明,当层数增多、微叠层层厚减小时,微叠层复合陶瓷刀具材料的力学性能提高。材料界面处结合紧密,晶粒大小均匀。随着层数的增多,微叠层内的径向残余压应力逐渐减小,基体的径向残余拉应力逐渐增大。随着微叠层层厚减小,微叠层内径向残余压应力增大,有效提高材料力学性能。研制了三种性能较好的Al2O3-TiC微叠层复合陶瓷刀具A9-200、A5-100和A7-100。层数为9层、层厚为200μm时的A9-200正面等效抗弯强度和侧面等效抗弯强度分别为1155MPa和975MPa,微叠层硬度和基体硬度分别为17.54GPa和18.21GPa,微叠层断裂韧度和基体断裂韧度分别为8.14MPa·m1/2和7.82MPa·m1/2。层数为5层、层厚为100μm时的A5-100正面等效抗弯强度和侧面等效抗弯强度分别为1166MPa和878MPa,微叠层硬度和基体硬度分别为17.3GPa和17.76GPa,微叠层断裂韧度和基体断裂韧度分别为7.74MPa·m1/2和7.21MPa·m1/2。层数为7层、层厚为100μm时的A7-100正面等效抗弯强度和侧面等效抗弯强度分别为1132MPa和934MPa,微叠层硬度和基体硬度分别为17.59GPa和17.85GPa,微叠层断裂韧度和基体断裂韧度分别为7.94MPa·m1/2和7.71MPa·m1/2。研究了Al2O3-TiC微叠层复合陶瓷刀具A9-200、A5-100和A7-100加工镍基高温合金GH4169(?)寸的切削性能,并与商用刀具SG4进行了对比。优化了微叠层复合陶瓷刀具A9-200切削镍基高温合金时的切削用量,其最优切削用量是切削速度为40m/min,切削深度为0.5mm,进给量为0.125r/min。在最优切削用量下,微叠层复合陶瓷刀具A9-200的切削性能最好,SG4的切削性能最差,切削距离不到30m。三种微叠层复合陶瓷刀具的主要磨损机理是粘结磨损、扩散磨损和边界磨损。