高温合金切削用微纳米复合陶瓷刀具

镍基等高温合金是航空航天业中不可替代的材料，其加工时切削温度高 (>1200℃)、切削力大、加工硬化严重、刀具磨损严重，而国产刀具在这个领域 长期以来一直难于胜任。Al O 陶瓷刀具的耐高温抗磨损性能优越，成为高速切 2 3 削加工镍基高温合金的理想选择之一。但 Al O 陶瓷刀具的韧性较低，高速切削 2 3 加工高温合金时，易发生崩刃、表面剥落和刀尖破碎，刀具寿命仍不高。据此， 本成果提出了陶瓷刀具断裂韧性逆向定量调控方法。建立了微缺陷动态扩展过程 损伤模型，探明了微观损伤演化机理；提出了韧性预测方法，揭示了烧结工艺- 组织-性能间定量关系；以高韧性为导向，基于性能-组织-工艺定量关系，逆向求 解了刀具最佳微观组织和烧结工艺参数。在该方法指导下，设计并制备成功一种 基体相为微米 Al O ，添加 20%微米 TiN、10%微米 TiC 和 10%纳米 TiC 的微 2 3 纳米复合陶瓷刀具材料，当烧结温度为 1650℃，保温时间 10min 时，其抗弯强 度为 898.6MPa，断裂韧性为 8.9MPa•m1/2，维氏硬度为 21.3GPa。本项目改善了 现用Al O 陶瓷刀具材料的韧性，提高了设计效率，并且使陶瓷刀具材料的实验 2 3 法或经验法设计向科学设计前进关键的一步，推动了我国刀具技术的发展。

1) 建立了反映微观结构“随机性”特征的代表性体积单元模型，结合陶瓷刀 具微观结构模型和力学性能测试过程有限元仿真，提出了微观尺度下陶 瓷刀具性能的有限元预测方法，阐明了刀具材料微观结构参数和宏观性 能间的定量关系，形成了基于性能预测的微纳米复合陶瓷刀具材料微观 —- 12 1 -— 结构设计方法和理论，解决了传统陶瓷刀具设计及制备过程中微观结构 参数优化的“盲目性”理论难题。 2) 成功研制一种适用于高速切削镍基高温合金的高性能微纳米复合陶瓷刀 具 AT10N20，其抗弯强度为 898.6MPa，断裂韧性为 8.9MPa∙m1/2，维氏 硬度为21.3GPa，性能与国外同类陶瓷刀具性能相当。 3) 提出了镍基高温合金切削工艺优化方法和切削稳定性控制策略，在 400m/min 的切削速度下刀具寿命可达 30min，加工工件表面粗糙度可达 1.5μm，有效的提高了生产效率和加工表面质量，解决了国产刀具长期以 来一直难于胜任镍基高温合金切削加工的技术难题。 图1 研制的陶瓷刀具 图2不同切削速度下刀具磨损形貌 图3 不同切削速度下切屑形貌 —- 12 2 -—