【摘 要】
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针对核电管板端面加工难题,研制一种新型高性能陶瓷刀具材料用于铣削管板,十分必要。本研究研制了一种新型复合陶瓷刀具材料,以氮化碳（C3N4）为基体相,Ti（C,N）为添加相,Mo、Ni、Co为金属相,采用热压烧结工艺,成功制备了C3N4基陶瓷刀具材料。研究了材料体系组分含量和烧结工艺参数对C3N4基陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响,分析了刀具材料增韧补强机理,评价了C3N4基陶瓷刀具铣削加工镍基
【基金项目】
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山东省自然科学基金重大基础研究项目（ZR2018ZA0401）；
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针对核电管板端面加工难题,研制一种新型高性能陶瓷刀具材料用于铣削管板,十分必要。本研究研制了一种新型复合陶瓷刀具材料,以氮化碳（C3N4）为基体相,Ti（C,N）为添加相,Mo、Ni、Co为金属相,采用热压烧结工艺,成功制备了C3N4基陶瓷刀具材料。研究了材料体系组分含量和烧结工艺参数对C3N4基陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响,分析了刀具材料增韧补强机理,评价了C3N4基陶瓷刀具铣削加工镍基高温合金Inconel 690时的铣削性能。研究了基体相类型的影响。分别以α-C3N4和以β-C3N4为基体相,制备了两种刀具材料 α-C3N4-20wt.%Ti（C,N）-4wt.%Mo-4wt.%Ni-4wt.%Co（简称 ACN）和 β-C3N4-20wt.%Ti（C,N）-4wt.%Mo-4wt.%Ni-4wt.%Co（简称BCN）。两种刀具材料在各个烧结工艺下的力学性能相近,但是烧结温度为1500和1600℃时,ACN的性能峰值低于BCN,因此选定β-C3N4为材料基体相。研究了添加相Ti（C,N）含量的影响。随着Ti（C,N）含量的增加,刀具材料的断裂韧度和维氏硬度先增大后降低,抗弯强度呈整体增大趋势;刀具材料微观组织得到改善,细化了晶粒,提高了烧结致密度,但当含量达到40wt.%时会产生晶粒团聚、气孔等缺陷。使材料具有较好力学性能的Ti（C,N）含量为35wt.%。优化了金属相Mo、Ni、Co的含量。当Mo含量为4wt.%时,随着Ni-Co含量的增加,刀具材料的断裂韧度、抗弯强度和维氏硬度都是先增大后降低;刀具材料的微观组织均匀,晶粒细小,晶间结合紧密,但当Ni-Co含量不宜超过8wt.%。当Mo含量升高时,刀具材料的力学性能呈整体降低趋势;微观组织虽有部分细化趋势,但是晶粒尺寸差异变大,破坏了均匀性。使材料具有较好力学性能的金属相Mo含量为4wt.%、Ni含量为 3.2wt.%、Co 含量为 4.8wt.%。优化了烧结温度和保温时间。随着烧结温度的升高,刀具材料的断裂韧度和抗弯强度都是先增大后降低,维氏硬度逐渐降低;刀具材料的微观组织逐渐均匀致密,但如果温度高于1 600℃则会导致材料中出现粗大晶粒和气孔等缺陷。随着保温时间的延长,材料的断裂韧度和维氏硬度先增大后降低,抗弯强度逐渐降低;材料的微观组织因为保温时间超过45min而不均匀。在烧结温度为1600℃、保温时间为45min、烧结压力为32MPa的工艺条件下成功制备了C3N4基陶瓷刀具材料 β-C3N4-35wt.%Ti（C,N）-4wt.%Mo-3.2wt.%Ni-4.8wt.%Co（简称BCNT3-M4NC8）,其力学性能最好,断裂韧度为8.6MPa·m1/2、抗弯强度为962.6MPa、维氏硬度为15.5GPa。在刀具材料BCNT3-M4NC8中,主要断裂机制是沿晶断裂和穿晶断裂协同,增韧补强机理是裂纹偏转和裂纹桥接的共同作用。研究了 C3N4基陶瓷刀具BCNT3-M4NC8铣削加工镍基高温合金Inconel 690时的铣削性能。在保证表面粗糙度Ra＜3.2μm的前提下,刀具最优铣削参数是铣削速度120m/min、每齿进给量0.05mm/z、轴向铣削深度0.15mm。刀具主要磨损形式是后刀面磨损,主要磨损机理为磨粒磨损、粘结磨损和扩散磨损。
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