TiB2基陶瓷刀具的制备及其切削Ti6Al4V的性能研究

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1、广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）TiB2基陶瓷刀具的制备及其切削Ti6Al4V的性能研究谭大旺二○一八年五月分类号：学校代号：11845UDC：密级：公开学号：2111501102广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）TiB2基陶瓷刀具的制备及其切削Ti6Al4V的性能研究谭大旺指导教师姓名、职称：郭伟明、教授学科(专业)或领域名称：机械工程学生所属学院：机电学院论文答辩日期：2018年5月29日IIADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDegreeofMaster(Masterof

2、Engineering)StudyonthePreparationandCuttingPerformanceofTiB2-BasedCeramicToolsinCuttingofTi6Al4VCandidate：TanDawangSupervisor：Prof.GuoWeimingMay2018SchoolofElectromechanicalEngineeringGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou,Guangdong,P.R.China,510006摘要摘要随着航空航天、能源化工等行业的高速发展，钛合金的使用量急剧增加，

3、对其高速、高效的切削加工提出了更高的要求。针对钛合金的高速加工，硬质合金刀具和传统的陶瓷刀具磨损较快，寿命较低，因此迫切需要开发可以承受更高切削速度和切削温度的刀具材料。本课题以新型TiB2基陶瓷刀具加工钛合金（Ti6Al4V）为应用背景，采用“刀具材料制备—刀具材料性能—刀具切削性能反馈优化”的方法，围绕着“烧结添加剂—微观结构—力学性能—切削性能—磨损机理”这一主线，研究不同烧结添加剂体系对TiB2基陶瓷的烧结性能、力学性能和切削性能的影响，对其磨损规律和磨损机理进行了深入分析，以期通过优化合适的添加剂，制备出适合钛合金切削的高性能TiB2基刀具。首先在2000°

4、C，氩气气氛下热压烧结制备了TiB2-20vol%B4C（TB2）和TiB2-80vol%B4C（TB8）复相陶瓷刀具，研究了其力学性能、摩擦磨损性能和切削性能，并与商品硬质合金刀具（YD）进行了对比研究。结果表明，B4C可以改善TiB2基陶瓷的致密度、硬度和抗弯强度，但会降低其断裂韧性。在高温下与Ti6Al4V进行滑动摩擦，TB8的摩擦系数最大，YD次之，TB2最小，为0.4左右，且TiB2-B4C陶瓷的抗高温氧化性能比硬质合金更好。在不同的参数下切削Ti6Al4V，随着切削速度增加，刀具的寿命降低；随着磨损量增加，刀具的切削温度增加，且YD的切削温度随磨损量增加比

5、TiB2-B4C陶瓷刀具更快。在粗加工中，TB2的寿命更长；但是在精加工中，YD寿命更长，加工表面粗糙度更低。不同刀具均出现明显的月牙洼和后刀面磨损，且YD的月牙洼磨损更严重；TB2和TB8的主要磨损机理为粘结磨损，此外TB8还存在微崩刃，而YD的主要磨损机理为粘结磨损。由于Ti与B4C的高温活性较大，低B4C含量的TiB2-B4C刀具具有更好的切削性能。然后在TiB2-B4C的基础上加入低熔点金属添加剂（Ni、Al），在1800°C下热压烧结制备了TiB2-B4C-Ni/Al陶瓷刀具材料，研究了金属相含量对材料显微结构、力学性能和切削性能的影响。结果表明，Ni/Al

6、添加剂可以明显降低TiB2-B4C的烧结温度；随着Ni/Al含量的增加，TiB2-B4C-Ni/Al陶瓷的抗弯强度、硬度均降低，但断裂韧性变化不大；其中TiB2-20vol%B4C-5vol%Ni/Al的抗弯强度、断裂韧性和硬度分别为711MPa、1/24.6MPa·m和22.69GPa。在不同切削参数下，随着Ni/Al含量的增加，刀具寿命降低，且月牙洼磨损速度增加；刀具的主要磨损机理为粘结磨损，而在精加工中还存在微崩I广东工业大学硕士学位论文刃。由于低熔点金属晶界相降低了刀具的高温性能，TiB2-B4C-Ni/Al陶瓷的刀具寿命低于TiB2-B4C刀具。最后，为了避

7、免B4C和低熔点金属对刀具切削性能的不利影响，同时改善TiB2基陶瓷的烧结性能，通过引入碳、高熔点金属（Mo/Co）作为助剂，制备了TiB2-Mo/Co和TiB2-Mo/Co-C陶瓷刀具，对其显微结构、力学性能和切削性能进行了研究。结果表明，与单相助剂（C或Mo/Co）相比，以Mo/Co-C为复合助剂，可以显著改善TiB2基陶瓷致密化和力学性能，在1900°C时致密度达到97%。TiB2-Mo/Co-C陶瓷刀具材1/2料的抗弯强度、断裂韧性和硬度分别为574MPa、4.27MPa·m和19.34GPa。然而由于C与Ti的化学亲和性较强，以Mo/Co为