镍基高温合金GH4169在1000℃高温下仍维持优异的力学性能及良好的抗氧化性、抗腐蚀性,已成为军民用能源转换装置热端部件不可替代的关键材料。然而其切削加工性差一直制约着高性能零部件的高效生产,究其原因是刀具难以适应高速切削镍基高温合金过程中的强力-热-化学多场耦合环境,表现为加工效率低、刀具寿命短和加工质量差。因此,本文针对镍基高温合金GH4169的高速切削加工,从陶瓷刀具的高温力学行为出发,研究陶瓷刀具高温力学性能与切削性能及刀具失效机理之间的关系,设计并优化新型陶瓷刀具材料及其制备工艺,结合仿真实验研制出适于加工镍基高温合金GH4169的高温力学性能优良的新型陶瓷刀具。本文以镍基合金GH4169为切削对象,首先采用CC、SN2及CJ三种不同牌号的陶瓷刀片进行高速切削实验,优化了切削用量。期间利用红外热像仪、Kistler 9257B动态测力仪等设备测试切削区域的切削力和温度,采用高温硬度测试系统HTV-PHS30测试不同牌号刀具的断裂韧度和维氏硬度随温度的变化规律并分析其演变机制,进而研究不同材料组分的陶瓷刀具的失效机理。研究表明:刀具的材质及切削用量会影响刀具的失效形态及失效机理;切削性能最优的CC陶瓷刀片的失效形态为微崩刃、后刀面磨损、严重的边界沟槽磨损,失效机理为严重的粘结磨损,刀尖处轻微的磨粒磨损、氧化磨损。基于三种牌号陶瓷刀具的高温力学行为演变及其高速车削GH4169的失效机理研究,提出了镍基合金GH4169高效切削用刀具材料组分的设计原则,并依据协同增韧补强理论,设计了以A12O3为基体,SiCw、Si3N4为增强相,Y2O3、La203、Ce02(YLC)等多元氧化物作为烧结助剂的AWN新型陶瓷材料。研究了 AWN新型陶瓷刀具材料的粉体混合工艺。实验表明,晶须的分散以及与微纳米颗粒的均匀混合对AWN陶瓷刀具材料优良性能的发挥有着至关重要的作用。通过优化实验研究,提出一套能够克服晶须交叉缠绕,颗粒吸附团聚的粉体混合工艺。研究了 Si3N4颗粒含量及烧结工艺对AWN新型陶瓷刀具材料综合性能的影响,研究了 SiC晶须和Si3N4颗粒的协同增韧补强机制,根据AWN新型陶瓷刀具材料微观组织和力学性能反馈,进一步调整组分含量,优化工艺,最终在烧结温度设为1600℃并保温保压(32 MPa)30 min时获得低缺陷高性能的AWN15新型刀具材料。优化后的AWN15新型陶瓷刀具材料在室温下的致密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧度分别为 99.2±0.15%,18.2 ± 0.16 GPa,769±22 MPa 和 6.78±0.12 MPa·m1/2;由于SiCw和sialon/Si3N4的协同增韧机制,裂纹偏转、晶须桥接裂纹、晶须拔出、穿晶断裂与微裂纹生成有效增强了 AWN15陶瓷刀具材料的断裂韧度。研究了 AWN15新型陶瓷刀具材料的力学性能和微观组织随温度变化的规律及演变机制。结果表明,AWN15陶瓷刀具材料硬度与断裂韧度随温度升高而降低的趋势明显减缓,在测试温度达到1000℃时,能够维持室温的65%以上,耐高温性能优于CC、SN2及CJ陶瓷刀具材料。究其原因,Si3N4颗粒的添加有利于减小AWN15陶瓷材料对温度的敏感性,稳定高温下的维氏硬度与断裂韧度,有助于改善AWN15陶瓷刀具的高温耐磨性及提高抗破损失效的能力;材料内部因高温产生的缺陷及晶界强度的下降削弱了 AWN15刀具材料的力学性能,然而材料软化后发生的塑性变形在一定程度上能够缓解高温断裂韧度的恶化。研究了 AWN15新型陶瓷刀具高速加工GH4169的切削过程,优化了刀具几何结构及刀具工作角度,并拟定了切削用量。根据氧化铝基陶瓷刀具高速切削GH4169的仿真分析验证了所建有限元模型的合理有效性,验证了 AdvantEdge软件指导研究AWN15新型陶瓷刀具使役性能的可行性。确定了较小的负倒棱宽度(0.1 mm)及的合理前角(-6°)有利于改善刀具工作区域的应力及温度场分布。优选了 AWN15新型陶瓷刀具高速车削GH4169的加工参数,即切削速度≤ 180 m/min,进给量≤0.14 mm/r。