【摘 要】
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随着近年来航空航天技术的快速革新,航空航天产品和零部件有了新的发展趋势。航空航天工业提出了结构复杂化、尺寸微型化和加工精密化的新需求,这对于零部件加工精度的要求也越来越高。镍基高温合金作为一种应用广泛的航空航天材料,是一类难加工材料,对其高效、高质量地加工极具挑战性,高性能的抗磨损刀具是实现高质量和高效加工目标的关键。最近的研究表明纳米材料在光、电、热、机械性能等方面有突出表现,纳米材料的应用也逐
【基金项目】
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吉林省产业关键核心技术攻关项目“高速切削镍基合金加工表面形成机理与工艺技术（项目编号:20210201043GX）”； 吉林省自然科学基金项目“高速切削镍基高温合金接触界面状态演化与刀具磨损机理（项目编号:20200201064JC）”； 吉林省长春市科技局项目:“基于高温合金切削机理的高效、高质切削工艺开发与应用（项目编号:21
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随着近年来航空航天技术的快速革新,航空航天产品和零部件有了新的发展趋势。航空航天工业提出了结构复杂化、尺寸微型化和加工精密化的新需求,这对于零部件加工精度的要求也越来越高。镍基高温合金作为一种应用广泛的航空航天材料,是一类难加工材料,对其高效、高质量地加工极具挑战性,高性能的抗磨损刀具是实现高质量和高效加工目标的关键。最近的研究表明纳米材料在光、电、热、机械性能等方面有突出表现,纳米材料的应用也逐渐由理论走向现实。纳米孪晶材料由于其孪晶强化效应,改良了材料性能而受到广泛研究。纳米孪晶立方氮化硼（nt-cBN）是一种超硬陶瓷材料,为高性能刀具提供了新的选择。本文采用原子建模的方法对nt-cBN材料进行了建模,在cBN材料中引入高密度共格孪晶结构,对其进行了分子动力学数值模拟,在原子尺度研究其力学性能、切削性能及其抗磨损性能,并研究了nt-cBN材料的强韧化机制。通过分子动力学纳米压痕模拟和单轴拉伸模拟,研究了nt-cBN材料在原子尺度的力学响应,模拟计算了nt-cBN材料的压痕硬度、弹性模量、断裂韧性、材料强度等多种材料性能,对nt-cBN材料的力学性能进行了详尽的测试。结果显示nt-cBN材料提升了强度、韧性、硬度、热稳定性等多种性能,这对于一种高性能的刀具涂层材料来说非常理想。通过分析压痕模拟中的位错扩展,压头下方位错的相互作用以及位错与孪晶界的反应,研究了nt-cBN材料孪晶强化机制,发现位错结与位错多结的产生增加了材料屈服应力是孪晶强化的主要原因。为了研究nt-cBN材料作为新型微型刀具纳米切削GH-4169合金的刀具性能,建立了nt-cBN微刀具、单晶立方氮化硼（sc-cBN）微刀具与简化的镍基高温合金原子模型（Ni-Cr-Fe合金工件模型）,采用分子动力学方法模拟了两种刀具纳米切削Ni-Cr-Fe合金工件。nt-cBN刀具相较于sc-cBN刀具的刀具磨损量显著减小,切削刃锋利程度保持较好,磨损程度降低。由于nt-cBN刀具有优异的热稳定性能,减少了刀具的粘结扩散磨损现象,降低了刀具的切削温度。本文对刀具的扩散磨损展开了更加具体的研究,研究了扩散磨损发生时,nt-cBN刀具由立方相到六方相的结构相变现象。不同的刀具形状在纳米尺度的切削中不容忽略,为了研究不同形状的刀具性能,建立了不同形状的nt-cBN微刀具,进行了纳米切削Ni-Cr-Fe合金的数值模拟。不同形状的微型刀具材料去除机理明显不同,影响了刀具磨损情况、切削力和加工表面质量。正前角型nt-cBN刀具展现了优异的切削性能,以剪切方式去除材料,获得了更高质量的表面。负前角和圆角型刀具切削中挤压作用更强,增加了法向和切向切削力,加工表面质量更低,刀具磨损程度较正前角ntcBN刀具更高。研究内容有助于了解nt-cBN刀具材料在镍基高温合金纳米加工中应用的可行性,肯定了其作为未来刀具涂层材料的优异性能,对于刀具磨损机制的研究有助于新型高性能刀具的开发,并可以改进高效和精密加工镍基高温合金方法,为其提供理论依据。
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