纳米复相陶瓷刀具材料的研究现状

纳米复相陶瓷刀具材料的研究成功有望从根本上解决陶瓷材料的脆性问题，比起传统刀具陶瓷刀具材料，它具有更高的抗弯强度、断裂韧度等力学性能。本文介绍纳米复相陶瓷的增韧补强机理；总结了现阶段以Al2O3、Si3N4、ZrO2和Ti（C、N）四种陶瓷为基体的纳米复相陶瓷刀具材料的显微结构和力学性能之间的关系，并且指出了纳米复相陶瓷刀具材料今后的研究方向。     

复相陶瓷刀具材料设计的理论框架

建立了复相陶瓷刀具材料设计的理论框架,该框架主要包括设计要求,系统设计、组分设计、微观结构设计、工艺设计、材料制备以及材料应用等,提出在复相陶瓷刀具材料设计的理论框架中,应该把工件材料应用等,提出在复相陶瓷刀具材料设计的理论框架中,应该把工件材料视为一“独立相”,充分考虑它与刀具材料之间的化学相容性问题,实验证明该研究思路是正确的,它对于复相陶瓷刀具材料设计具有重要的应用价值。     

复相陶瓷刀具材料的物化相容性分析

物理和化学相容性问题是复相陶瓷刀具材料设计中的重要内容之一。本文在所建立的化学相容性计算模型基础上 ,利用计算机编程计算并分析了各种可能的复相陶瓷刀具材料组分系统的化学相容性问题。定性分析了复相陶瓷刀具材料的物理相容性 ,认为各组分材料的热膨胀系数和弹性模量的最优匹配 ,是获得同时具有较高的抗弯强度和断裂韧性的复相陶瓷刀具材料的必要条件之一。     

超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷刀的磨损性能研究

研究了两种超细晶粒纳米改性Ti（C，N）基金属陶瓷刀具——44Ti（C，N）-5TiN（nm）-15WC-16M02C-20Ni（刀具A）和39Ti（C，N）-10TiN（nm）-15WC-16M02C-20Ni（刀具B）在加工正火态中碳钢时的切削性能和磨损机理。研究表明，两种刀具材料的显微组织都由金属相与陶瓷相组成，其中粗大的陶瓷相呈典型的芯／壳结构，陶瓷相晶粒尺寸为400～800nm。切削实验表明，刀具A的切削性能要优于刀具B，刀具A常以后刀面正常磨损的方式失效，刀具B则常以破损崩刃的方式失效。能谱（EDS）分析表明，高速切削时金属陶瓷刀具主要的磨损机制是扩散磨损和氧化磨损。     

Al2O3陶瓷材料的摩擦学研究进展

氧化铝陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性好、高温性能优良、抗黏结和抗扩散能力强、化学稳定性好等特点,广泛应用于高速切削和切削难加工材料领域。从陶瓷材料晶粒尺寸与摩擦学性能相关性、复相氧化铝陶瓷材料的摩擦学性能和氧化铝陶瓷的磨损机制3个方面,综述氧化铝陶瓷材料摩擦学研究进展,以期为新型高品质氧化铝陶瓷刀具材料的开发提供帮助。细化晶粒和组分复合化是提高陶瓷材料的强度和断裂韧性,进而提升其摩擦学性能的有效途径,但目前氧化铝陶瓷摩擦学研究主要是基于晶粒尺寸为600 nm以上的单相陶瓷和基体晶粒尺寸为1μm左右的复相陶瓷材料,对纳米/超细晶(500 nm以下)氧化铝陶瓷材料的研究是未来的研究方向。     

基于ANSYS的纳米复相陶瓷木工刀具虚拟优化设计

提出将纳米复相陶瓷刀具应用到木质材料加工中.首先证明了利用ANSYS的Solid95单元所构建的三维模型对木材切削过程进行有限元分析的可行性;然后通过ANSYS程序计算不同纳米复相陶瓷刀具前角所对应的最大有效应力,并推断最优前角的角度值;最后通过实验进行比较,证明优化结果与实验结果基本一致.利用该方法可对木材切削过程进行分析及对刀具进行优化设计.另外,还通过实验证明了纳米复相陶瓷刀具比普通硬质合金刀具耐用度高,适合进行木质材料加工.     

三维三相纳米陶瓷刀具材料微观组织的相场法模拟

建立了添加两种纳米颗粒的三相陶瓷刀具材料微观组织的相场法模拟模型,改进了三维尺度下的现有模拟算法,提出了一种更为有效的模拟算法,成功模拟了200×200×200单位的三相复合陶瓷刀具材料的微观组织演化过程,提高了计算效率。分别模拟了单相材料与三相纳米陶瓷刀具材料的微观组织演化过程。结果表明,添加纳米颗粒的三相纳米陶瓷刀具材料的晶粒尺寸分布峰值较小,说明纳米颗粒对晶界的钉扎效果明显,起到了较好的细化基体相晶粒的作用。     

Si_3N_4/SiC(N)纳米复相陶瓷的制备与性能研究

采用极性分散剂和超声分散技术 ,在微米Si3 N4基体中加入SiC纳米颗粒 ,用真空热压烧结法制备出Si3 N4/SiC(N)纳米复相陶瓷。研究结果表明 :加入SiC纳米颗粒可显著降低烧结温度 ,阻止 β Si3 N4晶粒的过度生长 ,细化晶粒组织 ,提高复合陶瓷材料的致密度和机械性能 ;含 15wt%SiC纳米颗粒的复相陶瓷具有最佳断裂韧度和较高抗弯强度 ,可作为高速切削刀具和模具的候选材料。     

基于梯度结构的Al2O3/ZrO2陶瓷刀具材料的制备及其力学性能

采用真空热压烧结方式制备了Al₂O₃/ZrO₂梯度复合陶瓷刀具材料,并对ZrO₂含量及梯度结构层厚比进行了优化。层厚比为2.0的AZE20梯度复合陶瓷刀具材料维氏硬度为(18.7±0.33) GPa,抗弯强度为(937±28.5) MPa,断裂韧性为(8.2±0.32) MPa·m^1/2,相比最佳ZrO₂含量的均质复合陶瓷刀具材料AZ20,维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性分别增加了22%、37.8%和43.8%。梯度结构的设计使表层形成残余压应力,晶粒得到一定程度的细化,更多的ZrO₂晶粒因残余压应力尺寸稳定在t相ZrO₂晶粒尺寸。在复合材料断口形貌中发现,其断裂方式为表层穿晶断裂和中间层沿晶断裂的结合,这种混合断裂方式使刀具整体力学性能得到提高。     

影响纳米陶瓷刀具材料力学性能的主要因素

纳米复相陶瓷材料具有较高的抗弯强度和断裂韧性，可以作为高性能的刀具材料，其增韧补强机制主要源于基体晶粒的细化及由沿晶断裂向穿晶断裂模式的转变，同时热处理对微裂纹的愈合作用也不可忽视。文中根据其强韧化机理并结合实验研究，对研制高性能纳米陶瓷刀具材料需考虑的主要因素进行了探讨。     

氮化碳基陶瓷刀具材料的制备与力学性能研究

采用热压烧结工艺,以Ti(C, N)为添加相,以Mo、Ni和Co为金属相,成功制备了氮化碳(C₃N₄)基陶瓷刀具材料,测量了其断裂韧度、抗弯强度和维氏硬度,分析了其微观组织。结果表明,在烧结温度为1600℃、保温时间为45 min和烧结压力为32 MPa的工艺条件下,Ti(C, N)质量分数为35%、Ni-Co质量分数为8%的C₃N₄基陶瓷刀具材料力学性能最优。合适的Ti(C, N)含量能细化C₃N₄晶粒、提高烧结密度、改善力学性能,合适的Ni-Co含量能使微观组织细小均匀。     

先进复合材料在航空航天领域的应用

复合材料是当今科技发展的重要物质基础,特别是先进复合材料已经成为应用于航空航天的基本材料之一.本文简要概述了先进复合材料的特性,着重介绍了先进树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料等的特点和研究进展,以及先进复合材料在航空航天领域的应用.     

TiB2陶瓷颗粒增强电弧喷涂涂层滑动磨损性能的研究

采用电弧喷涂含TiB2陶瓷粉末的粉芯丝材,在低碳钢基体上制备了NiCr-TiB2和304L-TiB2金属基复合涂层,在摩擦磨损试验机上研究了按环/块线接触方式作往复运动条件下无润滑时室温下的摩擦磨损性能,利用光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪对涂层的显微组织结构、磨损表面及其相组成进行分析。结果表明,涂层的相对耐磨性能远高于碳钢基体,约为9到11.5倍。304L-TiB2涂层的低磨损率除了与硬质相有关,还和涂层具有较高的硬度有关。NiCr-TiB2涂层的耐磨性能好,细小的TiB2陶瓷相在局部涂层中连成网状,与基体结合良好,有效提高了涂层的磨损性能。     

Sliding wear behaviors of in situ alumina/aluminum titanate ceramic composites

In situ alumina/aluminum titanate ceramic composites were prepared by spark plasma sintering with two kinds of alumina/titania powders, which are microsized irregular particles (referred to M powder) and microsized spherical particles composed of nanosized grains (referred to N powder). The phase constitution and microstructures of the powders and as-prepared ceramic composites were characterized by using X-ray diffractometer (XRD) and scanning electron microscope (SEM). The sliding wear behaviors of two alumina/aluminum titanate ceramic composites were investigated by ball-on-disc wear test with varied normal loads. The worn surfaces of ceramic composites and counterpart Si₃N₄ balls were characterized by using SEM equipped with X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS). The results showed that the wear volume of two ceramic composites increased with increasing the normal load. Under the same normal load, the wear volume of N composite (obtained from the N powder) was higher than that of M composite (obtained from the M powder). Two different behaviors were identified: N composite showed intergranular fracture and grain pull-out; however, the surface reaction layer formed in M composite presented plastic deformation. The different behaviors are controlled by two different mechanisms, brittle fracture mechanism for N and tribochemical reaction mechanism for M. The different wear behaviors for the two ceramic composites were discussed in detail.     

激光熔覆原位自生TiB2/Ni金属陶瓷涂层高温抗氧化性研究

利用激光熔覆技术在45钢表面制备了不同涂层成分的原位自生TiB2/Ni金属陶瓷复合涂层,研究了涂层显微形貌以及在600℃等温和不断升温中的高温抗氧化性能.结果表明:涂层均匀致密,内部无裂纹、气孔等缺陷,熔覆质量良好.当涂层中陶瓷相含量较低时,可以得到晶粒细小、均匀致密的氧化层,能有效阻止了涂层内部的高温氧化;但陶瓷相含...     

单相Al_2O_3陶瓷刀具材料的界面分子动力学模拟模型

用分子动力学方法建立了三种单相Al2O3陶瓷刀具材料的界面模型,即Al2O3(001)/(00-1)、Al2O3(110)/(-210)和Al2O3(11-2)/(-1-1-2)。计算了其界面结合能,并比较了界面抗裂纹扩展能力。分析了Al2O3(11-2)/(-1-1-2)和Al2O3(11-2)-MgO-Al2O3(-1-1-2)两种界面模型的界面结合能,发现晶界相会降低界面结合强度和抗裂纹扩展的能力。     

短切碳纤维含量对WC-TaC复合陶瓷刀具材料微观组织及力学性能的影响

采用真空热压烧结技术,以Ni为粘结相,短切碳纤维(C_(sf))为增强相,在1550℃下制备了不同C_(sf)含量的WC-Ta C-C_(sf)复合陶瓷刀具材料。研究了C_(sf)含量对WC-Ta C-C_(sf)复合陶瓷刀具材料微观组织和力学性能的影响,结果表明:复合材料中加入一定含量的C_(sf)可以显著细化晶粒。随着C_(sf)含量的增加,硬度逐渐减小,抗弯强度和断裂韧度先增大后减小,当C_(sf)含量为1.5wt%时,材料的综合力学性能最好,硬度、抗弯强度和断裂韧度值分别为12.79+0.28GPa、1072.71+22MPa和14.45+0.2MPa·m~(1/2)。     

Khruschov's rule and the abrasive wear resistance of multiphase solids

Khruschov has pointed out that the abrasive wear resistance of composites can often be expressed as ∑_iυ_i?_i where υ_i and ?_i are the volume fraction and wear resistance of the ith phase. This expression accurately predicts the wear resistance of metal composites but not of composites of metals and ceramic materials. While the volume abrasive wear rates of metals are believed to be proportional to the applied load, there is evidence that the volume wear rates of ceramic materials can be non-linear functions of both the applied load and the area of the abraded surface. The abrasive wear resistance of a model composite system is considered for steady state wear. For this system it can be shown that the relationship suggested by Khruschov is realized if the volume wear rates of the phases constituting the composite are proportional to the load. However, the relationship does not hold if the volume wear rates of the individual phases depend on the area or are non-linearly related to the load.