二步相变制备晶须自韧α-Sialon陶瓷刀具材料理论与微观组织设计

A new method is proposed to prepare the high density whisker self-toughening α-Sialon ceramic tool materials using multi-step gas pressure sintering to control phase transformation and nucleation rate for inducing α-Sialon whisker self-growing. Moreover, we will study the phase transformation and controlling mechanism of α-Si3N4→β-Si3N4 (or β-Sialon) and β-Si3N4（or β-Sialon）→α-Sialon, analyze the sintering dynamic characteristics of materials at different components and sintering methods, understand the effect law of the composition, phase transformation and crystal growth to density, conduct mathematical simulation for the whisker growth at low nucleation conditions, deeply understand the relation of macro-mechanical performances with the crystalline phase, grain boundary phase, grain size, morphology and volume fraction, build the multi-field coupling model of the inhomogeneous heat-force-chemistry in high speed machining , explore the influence of macro-mechanical performances and microstructure components to the process of cutting tool breakage, provide a basis for the design of the cutting tool material microstructure component. This project will resolve the preparation problem of self-toughening α-Sialon ceramic tool materials, and obtain the materials with longer life than foreign products at high temperature alloy cutting. It will be of great importance for the preparation and design in a new generation self-toughening α-Sialon ceramic.

本项目提出采用分步气压烧结进行相变与形核率的控制，实现诱导晶须α-Sialon自生长，制得高致密晶须自韧α-Sialon陶瓷刀具材料的思路。并以此展开α- Si3N4→β-Si3N4（或β-Sialon）与β-Si3N4（或β-Sialon）→α-Sialon相变与控制机理的研究；分析不同成分与烧结制度下材料烧结动力特性，明晰成分、相变、晶粒生长对致密化的影响规律；并对低形核条件晶须生长进行数学模拟，深入了解晶相、晶界相以及晶粒尺寸形貌、体积分数与宏观力学性能关系规律；建立高速切削过程的非均匀热-力-化学多场耦合模型，探索宏观力学性能与微观组织成分对刀具切削破损进程的影响，为刀具材料微观组织成分设计提供依据。本项目解决了目前自韧α-Sialon陶瓷刀具材料制备出现的难题，制得材料切削高温合金寿命超过国外相关产品，该研究对新一代自韧α-Sialon陶瓷制备理论与设计具有重要意义。

高温合金尤其是镍基高温合金是现代航空航天工业发动机不可缺少的材料，但包括涂层刀具在内高速钢和硬质合金刀具都难以对其切削加工，属于难加工材料。陶瓷材料是21 世纪最有希望、最有竞争力的刀具材料，陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性能和耐热性能好、化学稳定性优良、不易与金属产生粘结的特点，已成为高速切削高温合金的主要刀具材料之一，但陶瓷刀具对材料的高强韧性要求极高,目前该类型陶瓷切削刀具基本被国外垄断。本项目提出了采用分步气压烧结，进行相变与形核率的控制，诱导晶须α-Sialon生长，实现高致密化晶须自韧α-Sialon陶瓷刀具材料制备方法，并对设计的Ce-Y-Sialon与Yb-La-Sialon两种材料体系，分别进行了成分、相变、晶粒生长对致密化的影响规律的研究，并对低形核条件晶须生长进行数学模拟，深入了解晶相、晶界相以及晶粒尺寸形貌、体积分数与宏观力学性能关系规律。两种材料制成的刀片经株洲钻石切削股份有限公司在内部测试及送到株洲通用航空发动机有限公司、西安航空发动机有限公司试刀，其高温合金切削寿命与切削件质量达到或高于美国肯纳同种材质的KYS30陶瓷刀具水平，可以进行替代。因此，本项目对新一代晶须自韧α-Sialon陶瓷制备理论与设计具有指导意义，对打破国外在航空航天发动机高温合金切削陶瓷刀具垄断地位，推动我国航空航天事业的发展具有现实意义。