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無(wú)錫國(guó)勁合金有限公司
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閱讀：163發(fā)布時(shí)間：2017-2-10
近年來(lái),γ’相強(qiáng)化Co-Al-W基合金的發(fā)現(xiàn)為發(fā)展新型鈷基高溫合金開(kāi)辟了新的道路,并迅速成為高溫合金界的研究熱點(diǎn)。然而,由于Co-Al-W基合金的γ’相溶解溫度較低且γ/γ’兩相區(qū)較窄,如何提高γ’相溶解溫度并在服役溫度下保持長(zhǎng)時(shí)組織穩(wěn)定性是發(fā)展此類合金的首要問(wèn)題。同時(shí),發(fā)展高性能新型鈷基高溫合金亟需深入理解其變形機(jī)制,特別是更高溫度的蠕變行為。由于該類鈷基高溫合金研發(fā)時(shí)間較短,相關(guān)研究非常有限,并且缺乏熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的支持,為上述問(wèn)題的解決帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本論文在前期三元合金研究的基礎(chǔ)上,選擇并分析了Ta、Ti、Nb、Mo和V等五種合金化元素對(duì)Co-9A1-10W基合金四元合金γ’相溶解溫度、γ/γ’兩相組織演變、二次相析出及長(zhǎng)大的影響。基于合金化元素對(duì)γ’相溶解溫度和組織穩(wěn)定性影響的規(guī)律性認(rèn)識(shí),進(jìn)一步研究了Ta和Ti的單獨(dú)及交互作用對(duì)成分分配行為、錯(cuò)配度、高溫長(zhǎng)時(shí)組織演變和高溫蠕變行為的影響,分析并闡明Co-Al-W-Ta-Ti單晶高溫合金蠕變機(jī)理。合金化元素對(duì)顯微組織影響的研究表明：Ta、Ti和Nb均不同程度地提高Co-9Al-10W基合金的γ’相溶解溫度,其中Ta和Ti的提高作用zui為顯著。900℃時(shí)效后各個(gè)四元合金的γ’相體積分?jǐn)?shù)均在74-83%之間,與基礎(chǔ)合金沒(méi)有明顯差異。Ta、Nb和Mo顯著促進(jìn)了熱處理后二次相μ相和x相的析出,并且這些二次相的析出量隨合金化元素含量的提高而明顯增多。在合金化元素對(duì)γ’相溶解溫度和組織穩(wěn)定性作用研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了含有Ta和Ti的Co-7Al-8W基系列合金,并成功使用定向凝固工藝制備了鈷基單晶合金,研究了Ta和Ti的單獨(dú)及交互作用對(duì)單晶合金組織穩(wěn)定性和高溫蠕變行為的影響。結(jié)果表明：新型鉆基高溫合金的凝固偏析程度較低,不易形成凝固缺陷,適合制備大尺寸的單晶材料。4at.%Ti比1at.%Ta更顯著提高γ’相溶解溫度和丫’相體積分?jǐn)?shù),兩者的交互作用進(jìn)一步提高了γ’相溶解溫度和體積分?jǐn)?shù)。在Ta和Ti的共同作用下,W、Ta和Ti等大原子半徑元素優(yōu)*入γ’相,從而提高γ’相的晶格常數(shù),產(chǎn)生正的γ/γ’兩相錯(cuò)配度。含Ta和Ti的五元合金經(jīng)1050℃/1000h*時(shí)效后依然保持γ/γ’兩相結(jié)構(gòu),γ’體積分?jǐn)?shù)大于60%,組織穩(wěn)定性顯著優(yōu)于已報(bào)道的同類合金。高溫蠕變行為的研究結(jié)果表明：含Ta和Ti的五元合金在1000℃左右的蠕變行為由初始蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變和加速蠕變?nèi)齻€(gè)階段組成。其在10000C/137MPa的蠕變性能超過(guò)已報(bào)道蠕變壽命zui長(zhǎng)的同類合金,并且在982℃/248MPa條件下的蠕變壽命介于*代和第二代鎳基單晶高溫合金之間。在正錯(cuò)配度導(dǎo)致的共格應(yīng)力和外加拉應(yīng)力的疊加作用下,γ’相在蠕變過(guò)程中沿應(yīng)力軸方向發(fā)生定向粗化,形成平行于應(yīng)力軸方向的筏排組織。穩(wěn)態(tài)蠕變階段的主要位錯(cuò)結(jié)構(gòu)為γ/γ’兩相界面位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)、γ’相中的層錯(cuò)和反相疇界。分析表明,筏排組織中連續(xù)的γ/γ’兩相界面,位錯(cuò)切割γ’相形成的層錯(cuò)和反相疇界,以及γ’相中的位錯(cuò)交截阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),提供了蠕變抗力。
隨著高速和超高速切削加工、精密模具和工具制造、納米加工和微細(xì)加工的發(fā)展，對(duì)切削性能的要求日益提高。與普通中等晶粒度和細(xì)晶硬質(zhì)合金相比，超細(xì)WC-Co類硬質(zhì)合金具有更高的硬度、耐磨性和橫向斷裂強(qiáng)度，正成為硬質(zhì)合金領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。本文采用低壓燒結(jié)方法，制備了0.2級(jí)不同含鈷量WC-Co類超細(xì)硬質(zhì)合金、0.5級(jí)含鈷10wt.%的有與無(wú)晶粒長(zhǎng)大抑制劑、粉末熱處理與直接燒結(jié)WC-Co類超細(xì)硬質(zhì)合金。通過(guò)顯微組織結(jié)構(gòu)分析、力學(xué)和物理性能測(cè)試、切削力、切削溫度、零件已加工表面粗糙度、磨損和破損試驗(yàn)，對(duì)超細(xì)硬質(zhì)合金的切削性能進(jìn)行了深入分析，探討了超細(xì)硬質(zhì)合金的切削機(jī)理。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法，對(duì)不同工藝和成分的超細(xì)硬質(zhì)合金切削性能進(jìn)行了綜合評(píng)判，為鎢鈷類超細(xì)硬質(zhì)合金的研發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。本文的主要工作內(nèi)容及所取得的成果如下：（1）對(duì)試驗(yàn)用0.2級(jí)和0.5級(jí)不同超細(xì)硬質(zhì)合金材料的顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析、并對(duì)其力學(xué)和物理性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：硬質(zhì)相WC晶粒超細(xì)化和燒結(jié)前對(duì)粉末進(jìn)行熱處理均可以改善超細(xì)硬質(zhì)合金的顯微組織結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高超細(xì)硬質(zhì)合金的綜合力學(xué)性能；超細(xì)硬質(zhì)合金的顯微組織結(jié)構(gòu)與粘結(jié)相鈷的含量密切相關(guān)，過(guò)高或過(guò)低的含鈷量都對(duì)超細(xì)硬質(zhì)合金的顯微組織結(jié)構(gòu)不利，降低超細(xì)硬質(zhì)合金的物理和力學(xué)性能；添加晶粒長(zhǎng)大抑制劑在提高晶粒尺寸的均勻度、致密度和硬度的同時(shí)，也會(huì)使超細(xì)硬質(zhì)合金的韌性下降。（2）對(duì)0.2級(jí)和0.5級(jí)不同超細(xì)硬質(zhì)合金車削高溫合金GH2132進(jìn)行了切削力、切削溫度和已加工表面粗糙度試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性回歸處理和分析，對(duì)零件已加工表面進(jìn)行了微觀形貌觀察，得到了不同超細(xì)硬質(zhì)合金切削力、切削溫度和已加工表面粗糙度隨切削參數(shù)變化的規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)公式，并與普通中等晶粒度和細(xì)晶硬質(zhì)合金進(jìn)行了對(duì)比。切削用量三要素對(duì)刀—屑間平均摩擦系數(shù)的影響不明顯，但對(duì)切削力和單位切削力的大小、切削溫度和已加工表面粗糙度均有影響，且隨著切削速度的增大，零件已加工表面粗糙度有減小的趨勢(shì)；隨著晶粒度的減小，單位切削力有減小的趨勢(shì)，表面粗糙度有增大的趨勢(shì)，晶粒度的大小對(duì)切削溫度的影響隨切削用量的變化呈現(xiàn)非線性關(guān)系；含鈷量多少對(duì)切削力、刀—屑間平均摩擦系數(shù)、切削溫度和零件已加工表面粗糙度的影響呈現(xiàn)出一種復(fù)雜的非線性關(guān)系，適當(dāng)?shù)暮捔靠梢允骨邢髁Α⒌?mdash;屑間平均摩擦系數(shù)和切削溫度保持在較低的水平；添加晶粒長(zhǎng)大抑制劑將使0.5μm級(jí)超細(xì)硬質(zhì)合金單位切削力和刀—屑間平均摩擦系數(shù)增大，零件已加工表面粗糙度減小，對(duì)切削溫度的影響主要與切削用量的大小和材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)；粉末熱處理將使其單位切削力、刀—屑間平均摩擦系數(shù)和零件已加工表面粗糙度減小，改善零件已加工表面質(zhì)量，并可在一定程度上降低切削溫度，但降低的程度與是否添加晶粒長(zhǎng)大抑制劑有關(guān)。（3）通過(guò)對(duì)磨損原因的分析，建立了硬質(zhì)合金后刀面磨損的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)超細(xì)硬質(zhì)合金進(jìn)行了切削難加工材料磨損和破損試驗(yàn)，對(duì)后刀面磨損微區(qū)微觀形貌和化學(xué)成分分別進(jìn)行了觀察和分析，結(jié)果表明：超細(xì)硬質(zhì)合金高速切削高溫合金時(shí)磨損的主要原因是粘接磨損；硬質(zhì)相WC的晶粒越細(xì)，耐磨性越好；適當(dāng)降低含鈷量有助于提高超細(xì)硬質(zhì)合金的抗磨料磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損性能，適當(dāng)提高含鈷量有助于提高超細(xì)硬質(zhì)合金的抗粘接磨損和抗崩刃破損性能，但過(guò)高或過(guò)低的含鈷量都將對(duì)的耐磨性和抗破損性能產(chǎn)生不利的影響；進(jìn)行粉末熱處理的超細(xì)WC-Co類硬質(zhì)合金耐磨性和抗破損性能得到提高；適當(dāng)添加晶粒長(zhǎng)大抑制劑可在一定程度上提高超細(xì)WC-Co類硬質(zhì)合金耐磨損和抗沖擊破損性能；試驗(yàn)結(jié)果所反映的規(guī)律與所建立的后刀面磨損數(shù)學(xué)模型一致。（4）根據(jù)試驗(yàn)所用WC-Co類硬質(zhì)合金顯微組織結(jié)構(gòu)分析的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用模糊聚類分析方法，得到WC-Co類硬質(zhì)合金模糊聚類關(guān)系圖；運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的方法，把影響材料切削性能的各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)合在一起，建立了考慮各切削性能指標(biāo)的綜合模糊評(píng)判模型，并對(duì)試驗(yàn)所用超細(xì)硬質(zhì)合金切削難加工材料的切削性能進(jìn)行了綜合評(píng)判，確定了*超細(xì)硬質(zhì)合金的晶粒尺寸、成分和制作工藝。（5）通過(guò)對(duì)直徑0.5mm的0.5μm級(jí)和0.6μm級(jí)超細(xì)硬質(zhì)合金鉆頭與細(xì)晶硬質(zhì)合金鉆頭的磨損和壽命對(duì)比試驗(yàn)，研究了不同工藝條件制作的0.5μm級(jí)WC-Co類超細(xì)硬質(zhì)合金微細(xì)鉆頭的鉆削性能，分析了使用壽命的YG10U-Ar-GGI微細(xì)鉆頭切削刃磨損和折斷斷口的形貌，初步探討了微鉆的磨損規(guī)律和折斷失效機(jī)理。
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