Sialon-Si3N4梯度納米復合陶瓷刀具的研制及高速切削性能研究.pdf

1、鎳基合金具有優(yōu)良的力學性能，廣泛應用于航空、航天及核工業(yè)等領(lǐng)域，但高速切削鎳基合金時具有切削力大、切削溫度高、刀具壽命低等特點，高性能刀具是鎳基合金高效高質(zhì)量加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文借鑒梯度功能材料(FGM)和納米復合材料的研究方法，將梯度功能復合的熱應力緩解及表面壓應力特性和納米復合的強韌化機制進行有機結(jié)合，建立了梯度納米復合陶瓷刀具材料的宏微觀結(jié)構(gòu)模型，系統(tǒng)研究了梯度納米復合陶瓷刀具材料的制備工藝、力學性能及微觀結(jié)構(gòu)、抗摩擦磨損性能

2、、抗熱沖擊及熱疲勞性能等，并對刀具的高速切削性能及其失效機理進行了分析與研究。
　　 建立了高速切削過程的非均勻熱—力—化學多場耦合模型，明確梯度納米復合刀具組分及結(jié)構(gòu)的設計目標及要求。提出了梯度納米復合陶瓷刀具材料的設計基本原則，對刀具材料“宏觀”性能進行分解，以適應和抵抗非均勻多場作用，再進行各局部“微觀”結(jié)構(gòu)及性能設計，建立了適于高速切削的梯度納米復合陶瓷刀具材料的宏微觀結(jié)構(gòu)模型。
　　 采用粉末鋪填—熱壓燒結(jié)工藝

3、，制備了Sialon-Si3N4梯度納米復合陶瓷刀具材料。以刀具材料的綜合力學性能最優(yōu)為目標，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù):GSS1力學性能在層厚比e=0.3、燒結(jié)溫度T=1700℃、保溫時間t=60min、壓力P=35MPa時取得最優(yōu)值，其最優(yōu)的綜合力學性能為:抗彎強度σf=980MPa、斷裂韌度（表層）KIC=9.54MPa·m1/2、維氏硬度（表層）HV=16.91GPa;GSS2力學性能在e=0.3、T=1750℃、t=60min、

4、P=35MPa時取得最優(yōu)值，其最優(yōu)的綜合力學性能為:σf=810MPa、KIC=9.33MPa·m1/2、HV=16.98GPa。
　　 研究了Sialon-Si3N4梯度納米復合陶瓷刀具材料的顯微組織結(jié)構(gòu)、裂紋擴展形式和斷裂機制。結(jié)果表明，材料斷口處有明顯的柱狀β-Sialon晶粒和β-Si3N4晶粒的斷裂、橋接及拔出等，材料的斷裂機制為穿晶斷裂和沿晶斷裂的混合型。不同尺寸的Si3N4晶粒形成雙峰結(jié)構(gòu)，使裂紋擴展時易發(fā)生晶粒的

5、橋接和偏轉(zhuǎn)。TEM分析表明，材料的微觀結(jié)構(gòu)是晶內(nèi)/晶間混合型，存在孿晶、位錯等特征。這些特征的存在使裂紋擴展時需消耗更多的能量，從而促進了材料強度和斷裂韌度的提高。
　　 研究了Sialon-Si3N4梯度納米復合陶瓷刀具材料的抗摩擦磨損性能。結(jié)果表明，在相同條件下，梯度陶瓷材料的摩擦系數(shù)和磨損率低于均質(zhì)陶瓷材料的摩擦系數(shù)和磨損率。主要的滑動磨損機理是剝落、粘結(jié)磨損及磨粒磨損。梯度材料表層存在殘余壓應力，能夠抵抗部分摩擦過程中產(chǎn)

6、生拉應力，從而減小了摩擦力，提高了材料的抗摩擦磨損性能。
　　 研究了Sialon-Si3N4梯度納米復合陶瓷刀具材料的抗熱沖擊及熱疲勞性能。結(jié)果表明，梯度納米復合陶瓷材料的抗熱沖擊及熱疲勞性能均優(yōu)于對應的均質(zhì)陶瓷材料。梯度納米復合陶瓷材料和均質(zhì)納米復合陶瓷材料都表現(xiàn)為原始短裂紋的擴展特征，GSS1的臨界熱震溫差為600℃，而GSS2、ST10及SAAT10的臨界熱震溫差為400℃。
　　 研究了Sialon-Si3N4

7、梯度納米復合陶瓷刀具高速切削Inconel718時的刀具壽命、刀具的磨損破損特征及其失效機理等。結(jié)果表明，高速車削Inconel718時，刀具耐磨性及壽命在vc=120m/min時較好，此時GSS1的切削性能優(yōu)于進口刀具KY1540;梯度陶瓷刀具GSS1和GSS2的切削性能優(yōu)于均質(zhì)陶瓷刀具ST10和SAAT10的切削性能;刀具主要的失效機理有磨粒磨損、粘結(jié)磨損、溝槽磨損及崩刃等。高速銑削Inconel718時，最優(yōu)速度范圍vc=700～