【摘 要】
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镍基高温合金是工业强基工程中的关键基础材料,也是公认的最难加工材料之一,其高速干切削加工对刀具提出了极为苛刻的要求。陶瓷刀具凭借其硬度高、耐磨性好、耐热性能和化学稳定性良好等优势,已发展成为高速切削镍基高温合金的主要刀具,但存在刀具磨损严重、刀具过早失效等问题。本文将具有特殊二维结构、超大比表面积和优异力学性能的石墨烯作为强韧化相引入Al2O3基复相陶瓷刀具中,制备了石墨烯/陶瓷复合刀具材料;建立
【基金项目】
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国家自然科学基金“基于界面调控的石墨烯强韧化复相陶瓷刀具研究（51775315）”；
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镍基高温合金是工业强基工程中的关键基础材料,也是公认的最难加工材料之一,其高速干切削加工对刀具提出了极为苛刻的要求。陶瓷刀具凭借其硬度高、耐磨性好、耐热性能和化学稳定性良好等优势,已发展成为高速切削镍基高温合金的主要刀具,但存在刀具磨损严重、刀具过早失效等问题。本文将具有特殊二维结构、超大比表面积和优异力学性能的石墨烯作为强韧化相引入Al2O3基复相陶瓷刀具中,制备了石墨烯/陶瓷复合刀具材料;建立了石墨烯增韧模型,纳米ZrO2通过微纳复合结构的构筑和界面调控,强化石墨烯在陶瓷刀具材料的强韧化作用,揭示了相关强韧化机理及调控机制,并对石墨烯/陶瓷基复合刀具材料的摩擦磨损性能及其镍基高温合金高速切削性能进行研究。建立陶瓷刀具高速切削镍基高温合金Inconel 718仿真模型,研究了切削过程中强热-力耦合作用下切削力、温度场和应力场分布及动态变化规律。结果表明,切削速度对切削力和切削温度的影响最小。主要失效形式是边界磨损、后刀面磨损和破损,主要的失效机理是粘结磨损和磨粒磨损。在保持强度和硬度的前提下,提高刀具断裂韧性,改善刀-工摩擦磨损性能,降低粘结磨损是提高陶瓷刀具耐用度的有效途径。利用粉末成型和热压烧结技术制备了石墨烯强韧化Al2O3/（W,Ti）C和Al2O3/Ti（C,N）两种复相陶瓷刀具材料（简称为AWG和ATG）。以最优力学性能为优化目标,确定了石墨烯纳米片含量。ATG4复相陶瓷刀具材料具有最优的力学性能,硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为23.57 GPa、8.66 MPa·m1/2和657 MPa。相关的强韧化机理有弱界面引起的界面脱粘（裂纹偏转、裂纹分叉）和石墨烯纳米片拔出,强界面引起的裂纹桥接,以及晶粒细化、穿晶断裂增多。建立石墨烯增韧模型,定量分析了石墨烯引入的不同增韧机制对陶瓷刀具材料韧性提高的贡献。结果表明,石墨烯纳米片拔出是最主要的增韧机理,其次是石墨烯桥接,最后是界面脱粘。石墨烯纳米片的增韧效果与石墨烯含量、尺寸、质量,以及石墨烯与陶瓷基体晶粒之间界面结合特性有关。在石墨烯分散均匀的前提下,增韧效果随着石墨烯含量的增加而增加,随着石墨烯厚度的增加而显著降低。适当改善石墨烯与陶瓷基体之间界面结合特性能显著提高石墨烯的强韧化效果。基于石墨烯增韧模型,引入纳米ZrO2对石墨烯强韧化复相陶瓷刀具材料微观结构进行调控,通过微纳复合结构的构筑,强化石墨烯纳米片拔出的作用效果,在保证强度和硬度变化不大的前提下,显著提高了复相陶瓷材料的断裂韧性。1 wt.%纳米ZrO2调控的石墨烯强韧化复相陶瓷刀具材料（ATGZ1）具有最优的力学性能,断裂韧性为11.3 MPa·m1/2,硬度为20.81 GPa,抗弯强度为685.3 MPa。主要的调控机制为晶粒细化、晶内型结构的形成、相变“钉扎”、断裂模式转变及纳米ZrO2对石墨烯纳米片的“钳制”效应和“钉扎”效应。通过摩擦磨损试验,选用镍基高温合金Inconel 718作为摩擦配副,研究了石墨烯/陶瓷复合陶瓷刀具材料ATG和ATGZ的摩擦磨损特性。石墨烯纳米片可以显著降低复相陶瓷材料的摩擦系数和磨损率。在摩擦过程中石墨烯从陶瓷基体中拔出,在复相陶瓷与镍基高温合金销之间形成超薄的润滑膜,改善摩擦磨损特性,降低粘结磨损。纳米ZrO2提高复相陶瓷刀具材料的断裂韧性和致密度,有效抑制了摩擦过程中疲劳裂纹的形成与扩展,减少了粘结引起的材料脱落,从而抗磨损性能显著提高。从切削力、切削温度、切屑形态、刀具寿命、刀具失效形式及机理等方面研究了石墨烯/陶瓷复合刀具ATG和ATGZ高速干式切削镍基高温合金的切削性能。不同切削速度下,新型陶瓷刀具的刀具寿命差别很大,ATG和ATGZ陶瓷刀具均在切削速度为500 m/min时,ATG刀具切削距离为600 m,ATGZ刀具切削距离达900m。石墨烯纳米片具有润滑作用,能够改善刀具与工件及切屑的摩擦磨损特性,减少了粘结磨损。纳米ZrO2的加入进一步提高陶瓷刀具的断裂韧性,在高速切削过程中无脆断现象出现,且对降低粘结磨损也起到了显著作用。
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