基于磨损预测的微纳米复合陶瓷刀具材料微观结构设计及制备研究

The ceramic cutting tools generally experience severe wear in high speed cutting of superalloys, which hinder the application of ceramic tools used in the aviation and aerospace enterprises. So design of ceramic cutting tools with excellent wear resistance is a difficult problem to be solved. The wear amount will be predicted using finite element method with microstructure-level material model to interpret the quantitative relationship between the microstructure and tool wear. This research can establish the fundamental theory of the ceramic cutting tool design for high speed cutting of iron-based alloys. The microstructure modeling of micro-nano-composite ceramic cutting tool materials will be established with the characteristics of complexity and randomness. The interaction and transition of different wear mechanisms during the cutting process will be investigated to establish the tool wear model under the thermal mechanical coupling condition. Combined with the representative volume element (RVE) of ceramic material microstructure, the simulation of cutting process will be conducted to calculate the tool wear amount. Then, the microstructure models with various parameters will be established, and the wear rate is predicted to determine the optimal microstructure parameters based on the optimization of wear rate. The ceramic cutting tool materials will be prepared with the optimal results. Cutting performance of the prepared ceramic tool will be evaluated through cutting experiments and the proposed tool design theory will be validated. This research can offer reference for the ceramic cutting tool design, and is beneficial for the development of cutting tool design theory and the improvement of the tool life.

陶瓷刀具高速车削高温合金时易磨损，是限制其在航空航天业中广泛使用的瓶颈，因此设计具有优异耐磨性的高寿命陶瓷刀具是亟待解决的难题。本项目针对铁基高温合金，拟在微观尺度上对陶瓷刀具磨损进行有限元预测，阐明材料微观结构参数和磨损的定量关系，形成基于磨损预测的陶瓷刀具材料微观结构优化设计及制备的基本理论和方法。分析陶瓷刀具材料微观结构及其随机分布规律，建立考虑随机性的微观结构模型；研究切削过程中刀具不同磨损机理的相互作用及演变，建立热力耦合作用下的刀具磨损模型，结合刀具材料微观结构代表性体积单元，进行切削过程有限元仿真，求解刀具磨损量；初步设计不同参数的刀具微观结构模型，计算其磨损率，以磨损率最低为优化目标，确定最佳的微观结构参数，制备刀具材料；进行高速切削实验，研究刀具切削性能并验证设计理论。本项目为陶瓷刀具设计提供了新方法，对于丰富和完善刀具设计理论及提高刀具寿命具有重要的实际意义。

本项目针对微纳米复合陶瓷刀具材料，在微观尺度上对陶瓷刀具力学性能及磨损进行了有限元预测，阐明了材料微观结构参数和磨损的定量关系，形成了基于磨损预测的陶瓷刀具材料微观结构优化设计及制备的基本理论和方法。1.提出了一种基于Voronoi 法和随机法构建材料微观结构模型的方法，构建的微纳米复合陶瓷刀具材料微观结构模型能够表征晶粒的平均粒径及其分布、晶粒形心位置分布、增强相的体积分数和纳米相的粒径及体积分数等微观结构参数；2.使用构建的微纳米复合陶瓷刀具材料微观结构模型，通过对拉伸实验、三点弯曲实验、裂纹扩展和压痕实验的模拟，分别预报了陶瓷刀具材料的弹性性能、硬度、抗弯强度和断裂韧性，研究了晶粒平均粒径、增强相体积分数和纳米颗粒体积分数对材料各性能的影响；3.构建了考虑刀具磨损影响的切削力模型、二维切削力建模、考虑刀具磨损的切削温度预测模型和刀具磨损模型，利用有限元软件的二次开发技术，把刀具磨损模型嵌入到有限元软件中，进行刀具磨损仿真，较好的反映切削过程中刀具磨损变化规律；4. 根据微纳米复合陶瓷刀具材料微观结构优化设计结果(组分、含量、粒度等)，分析烧结温度、压力及保温时间等工艺参数对材料微观结构演变行为的影响；采用合理的颗粒分散工艺(多相悬浮液混合法、超声分散及机械搅拌法)、混料工艺(超声搅拌和球磨)，确定了最优烧结工艺参数，制备出了综合性能优异的微纳米复合陶瓷刀具材料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。5. 研究制备的微纳米复合陶瓷刀具AT10N20的切削性能，并与Sandvik公司的复合陶瓷刀具CC650进行对比试验，验证了提出的微纳米复合陶瓷刀具计算机辅助材料设计方法和制备工艺的可行性。并通过高速车削试验，研究给定条件下刀具寿命、磨损、切削力等的变化，分析了陶瓷刀具的磨损及破损机理。本研究对陶瓷刀具设计具有重要意义。在该项目的支持下，项目负责人发表SCI/EI期刊论文5篇，申请发明专利1项，培养硕士研究生4名。