基于高温力学行为的陶瓷刀具制备及其性能研究
发布时间：2021-03-11 09:37
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...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１三种陶瓷刀具??
，压痕法无需重复制样，在测试维氏硬度的同时，通过测量６组压痕的裂纹扩??展长度，按照式（２－２）计算断裂初度并求取平均值，经济且高效。??Ｋ，ｃ?＝?０．２０３?ｘ?（ｃ／ａ）－３／２?－ｙｆａ－ＨＶ?（２－２）??式中，尺／ｃ－高温断裂籾度（ＭＰａ?ｍ１／２）?；?ｃ—压痕对角线方向两裂纹的末端距离的??—半（ｍｍ）?；?ａ一压痕对角线长度的一半（ｍｍ）?；?／／Ｆ?—高温维氏硬度（ＧＰａ）。??２．１．２陶瓷刀具离溫力学性能演变规律??２．１．２．１髙温维氏硬度湞变及分析??图２－２给出了测试温度对三种牌号刀具的维氏硬度的影响规律。由于测量误差??较小，并且为了使曲线更加直观清晰，图示对误差线加以省略。??２２????－＾ｃｃ??２０?－?—ｏ－?Ｃ?Ｊ??１０?＊??Ｈ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??２０?２００?４００?６００?７００?８００?０００?１０００??测试温度（°ｃ＞??图２－２三种陶瓷刀具材料的高温维氏硬度演变规律??由图２－２中可知，三种牌号的陶瓷刀具材料的维氏硬度均随着测试温度的升高??而呈现不断降低的趋势。其中，ＣＣ陶瓷刀具材料的维氏硬度在整个温度测试区间??的下降趋势近乎一条直线，当测试温度达到ｌ〇〇〇°Ｃ时，硬度值高于１２ＧＰａ，要比??ＳＮ２与ＣＪ刀具材料的高温维氏硬度高出１？２?ＧＰａ。当测试温度低于８００?°Ｃ时，三??种牌号的高温维氏硬度均呈整体下降趋势，并且硬度数值表现为：ＣＣ＞ＣＪ＞ＳＮ２。??但当测试温度在８００？１０００?°Ｃ区间时，ＳＮ２与ＣＪ刀具材料维氏硬度的下降趋势加??１１??
第２章陶瓷刀具高速车削镍基高温合金ＧＨ４１６９的实验研究??相的变化。有研究表明，材料的硬度值与作用面中各化学键对抗压头的阻力之和成??正比。陶瓷材料的维氏硬度主要与材料本身的晶体结构有关，就三种陶瓷刀具??的基体材料而言，氮化硅的红硬性最好，氧化铝的次之。另外，复合陶瓷材料的高??温维氏硬度演变主要与材料内部的位错滑移系统有关［６６１，优选的增强相可以增大??位错滑移系统的阻力，抑制微观组织的位错滑移，削弱复合陶瓷材料的高温硬度的??进一步衰减。另一方面，从图２－３?（ｃ）中ＣＪ陶瓷材料的ＥＤＳ能谱所可以看出，ＣＪ??刀具材料组分中含有较多的金属相Ｎｋ?Ｍｏ，其熔点较低造成材料发生高温软化，??致使陶瓷复合材料的高温硬度迅速衰减［６７１。??２．１．２．２断裂韧度演变及分析??图２－４给出了测试温度对三种牌号刀具的断裂初度的影响规律。??１０?—?■■?—｜??９丄?同??８?＾Ｍ－ＳＮ２１??２?－??Ｉ?－??２？?２００?■！００?６００?７００?Ｓ００?ＷＯ?１０００??＃ＩＷｉＳｉ？?ＣＣ）??图２－４三种陶瓷刀具材料的高温断裂初度演变规律??从图２－４中可以看出，三种牌号刀具材料的断裂初度随测试温度的升高而呈现??不均匀变化。其中，ＣＣ刀具的断裂初度在整个测试区间的呈现整体下降的趋势，??并且当温度达到９００?°Ｃ时，下降速率有所加快。当测试温度在２０￣７００?°Ｃ区间内，??ＳＮ２陶瓷材料断裂初度的衰减趋势较为平缓，ＣＪ陶瓷材料的下降较为明显，两者??在测试温度达到６００°Ｃ时，断裂初度值较为接近。当测试温度从７００°Ｃ达到８００°Ｃ??时，ＳＮ２与ＣＪ陶瓷材料的断裂韧度下降剧烈
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属陶瓷刀具高速切削钛合金试验研究[J]. 王哲,刘玥,邹斌. 工具技术. 2019(10)
[2]Al2O3基陶瓷刀具干切削淬硬钢H13时的加工表面质量研究[J]. 王波,刘含莲,黄传真,赵斌,侯耀,朱洪涛. 工具技术. 2019(01)
[3]Synergistically Toughening Effect of SiC Whiskers and Nanoparticles in Al2O3-based Composite Ceramic Cutting Tool Material[J]. LIU Xuefei,LIU Hanlian,HUANG Chuanzhen,WANG Limei,ZOU Bin,ZHAO Bin. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2016(05)
[4]TiAlN涂层刀具高速铣削GH4169刀具磨损形貌及机理分析[J]. 李锋,刘维伟,余斌高,史凯宁,李文科. 航空精密制造技术. 2016(01)
[5]陶瓷刀具铣削高温合金GH4169刀具磨损研究[J]. 孙士雷,赵杰. 工具技术. 2015(08)
[6]镍基高温合金高速切削加工性[J]. 沈汛,孙剑飞,陈五一. 工具技术. 2014(12)
[7]PCBN刀具最新发展及应用[J]. 计伟,刘献礼,孙轼龙. 航空制造技术. 2012(14)
[8]航空用镍基高温合金切削现状研究[J]. 刘阳,叶洪涛,张军,穆辉. 航空制造技术. 2011(14)
[9]PcBN刀具车削镍基高温合金切削性能研究[J]. 宋庭科,李嫚,张弘弢. 金刚石与磨料磨具工程. 2011(01)
[10]加工烧结合金和铸铁的整体PCBN刀具的研制[J]. 刘书锋,李启泉. 工具技术. 2011(01)
博士论文
[1]基于缺陷控制的Al2O3基复合陶瓷刀具及刀具磨损可靠性研究[D]. 白晓兰.山东大学 2018
[2]用于高速切削镍基高温合金的陶瓷刀具研制及其性能研究[D]. 赵斌.山东大学 2018
[3]新型Ti（C,N）基复合金属陶瓷刀具及其高温抗弯强度研究[D]. 刘玥.山东大学 2015
本文编号：3076262
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１三种陶瓷刀具??
，压痕法无需重复制样，在测试维氏硬度的同时，通过测量６组压痕的裂纹扩??展长度，按照式（２－２）计算断裂初度并求取平均值，经济且高效。??Ｋ，ｃ?＝?０．２０３?ｘ?（ｃ／ａ）－３／２?－ｙｆａ－ＨＶ?（２－２）??式中，尺／ｃ－高温断裂籾度（ＭＰａ?ｍ１／２）?；?ｃ—压痕对角线方向两裂纹的末端距离的??—半（ｍｍ）?；?ａ一压痕对角线长度的一半（ｍｍ）?；?／／Ｆ?—高温维氏硬度（ＧＰａ）。??２．１．２陶瓷刀具离溫力学性能演变规律??２．１．２．１髙温维氏硬度湞变及分析??图２－２给出了测试温度对三种牌号刀具的维氏硬度的影响规律。由于测量误差??较小，并且为了使曲线更加直观清晰，图示对误差线加以省略。??２２????－＾ｃｃ??２０?－?—ｏ－?Ｃ?Ｊ??１０?＊??Ｈ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??２０?２００?４００?６００?７００?８００?０００?１０００??测试温度（°ｃ＞??图２－２三种陶瓷刀具材料的高温维氏硬度演变规律??由图２－２中可知，三种牌号的陶瓷刀具材料的维氏硬度均随着测试温度的升高??而呈现不断降低的趋势。其中，ＣＣ陶瓷刀具材料的维氏硬度在整个温度测试区间??的下降趋势近乎一条直线，当测试温度达到ｌ〇〇〇°Ｃ时，硬度值高于１２ＧＰａ，要比??ＳＮ２与ＣＪ刀具材料的高温维氏硬度高出１？２?ＧＰａ。当测试温度低于８００?°Ｃ时，三??种牌号的高温维氏硬度均呈整体下降趋势，并且硬度数值表现为：ＣＣ＞ＣＪ＞ＳＮ２。??但当测试温度在８００？１０００?°Ｃ区间时，ＳＮ２与ＣＪ刀具材料维氏硬度的下降趋势加??１１??
第２章陶瓷刀具高速车削镍基高温合金ＧＨ４１６９的实验研究??相的变化。有研究表明，材料的硬度值与作用面中各化学键对抗压头的阻力之和成??正比。陶瓷材料的维氏硬度主要与材料本身的晶体结构有关，就三种陶瓷刀具??的基体材料而言，氮化硅的红硬性最好，氧化铝的次之。另外，复合陶瓷材料的高??温维氏硬度演变主要与材料内部的位错滑移系统有关［６６１，优选的增强相可以增大??位错滑移系统的阻力，抑制微观组织的位错滑移，削弱复合陶瓷材料的高温硬度的??进一步衰减。另一方面，从图２－３?（ｃ）中ＣＪ陶瓷材料的ＥＤＳ能谱所可以看出，ＣＪ??刀具材料组分中含有较多的金属相Ｎｋ?Ｍｏ，其熔点较低造成材料发生高温软化，??致使陶瓷复合材料的高温硬度迅速衰减［６７１。??２．１．２．２断裂韧度演变及分析??图２－４给出了测试温度对三种牌号刀具的断裂初度的影响规律。??１０?—?■■?—｜??９丄?同??８?＾Ｍ－ＳＮ２１??２?－??Ｉ?－??２？?２００?■！００?６００?７００?Ｓ００?ＷＯ?１０００??＃ＩＷｉＳｉ？?ＣＣ）??图２－４三种陶瓷刀具材料的高温断裂初度演变规律??从图２－４中可以看出，三种牌号刀具材料的断裂初度随测试温度的升高而呈现??不均匀变化。其中，ＣＣ刀具的断裂初度在整个测试区间的呈现整体下降的趋势，??并且当温度达到９００?°Ｃ时，下降速率有所加快。当测试温度在２０￣７００?°Ｃ区间内，??ＳＮ２陶瓷材料断裂初度的衰减趋势较为平缓，ＣＪ陶瓷材料的下降较为明显，两者??在测试温度达到６００°Ｃ时，断裂初度值较为接近。当测试温度从７００°Ｃ达到８００°Ｃ??时，ＳＮ２与ＣＪ陶瓷材料的断裂韧度下降剧烈
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属陶瓷刀具高速切削钛合金试验研究[J]. 王哲,刘玥,邹斌. 工具技术. 2019(10)
[2]Al2O3基陶瓷刀具干切削淬硬钢H13时的加工表面质量研究[J]. 王波,刘含莲,黄传真,赵斌,侯耀,朱洪涛. 工具技术. 2019(01)
[3]Synergistically Toughening Effect of SiC Whiskers and Nanoparticles in Al2O3-based Composite Ceramic Cutting Tool Material[J]. LIU Xuefei,LIU Hanlian,HUANG Chuanzhen,WANG Limei,ZOU Bin,ZHAO Bin. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2016(05)
[4]TiAlN涂层刀具高速铣削GH4169刀具磨损形貌及机理分析[J]. 李锋,刘维伟,余斌高,史凯宁,李文科. 航空精密制造技术. 2016(01)
[5]陶瓷刀具铣削高温合金GH4169刀具磨损研究[J]. 孙士雷,赵杰. 工具技术. 2015(08)
[6]镍基高温合金高速切削加工性[J]. 沈汛,孙剑飞,陈五一. 工具技术. 2014(12)
[7]PCBN刀具最新发展及应用[J]. 计伟,刘献礼,孙轼龙. 航空制造技术. 2012(14)
[8]航空用镍基高温合金切削现状研究[J]. 刘阳,叶洪涛,张军,穆辉. 航空制造技术. 2011(14)
[9]PcBN刀具车削镍基高温合金切削性能研究[J]. 宋庭科,李嫚,张弘弢. 金刚石与磨料磨具工程. 2011(01)
[10]加工烧结合金和铸铁的整体PCBN刀具的研制[J]. 刘书锋,李启泉. 工具技术. 2011(01)
博士论文
[1]基于缺陷控制的Al2O3基复合陶瓷刀具及刀具磨损可靠性研究[D]. 白晓兰.山东大学 2018
[2]用于高速切削镍基高温合金的陶瓷刀具研制及其性能研究[D]. 赵斌.山东大学 2018
[3]新型Ti（C,N）基复合金属陶瓷刀具及其高温抗弯强度研究[D]. 刘玥.山东大学 2015
本文编号：3076262
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