复相陶瓷刀具材料热压烧结过程微纳尺度结构演变及晶粒尺寸效应研究

Composite ceramic cutting tool materials can improve cutting efficiency, and they apply to cutting difficult materials, their mechanical properties and microstructure are closely linked. The studies of micro-nano composite ceramic tool materials increase gradually in recent years, but the research how to control the microstructure evolution in hot pressing sintering process to get a good structure is still very little, and the research of micro- and nanoscale size effect in hot pressing sintering process is almost no, which is the bottleneck of composite ceramic tool materials research. This project will study the micro- and nanoscale microstructure evolution of composite ceramic cutting tool materials in hot pressing sintering process influenced by factors, and study the micro- and nanoscale size effect of grains in hot pressing sintering process. The study will enrich the design method of ceramic tool materials, improve the design theory of ceramic tool materials, it has greater significance to develop high-speed and efficient cutting tools.

复相陶瓷刀具材料可以提高切削效率，并适用于难加工材料的切削加工，其综合力学性能与微观组织结构有着密切联系。近年来微纳米复合陶瓷刀具材料的研究逐渐增多，但如何在其热压烧结过程中控制主要烧结参数以获得良好微观组织结构的研究目前仍极少，并且对其在热压烧结过程中微纳尺度晶粒尺寸效应的研究几乎还没有，而这些是目前复相陶瓷刀具材料热压烧结过程研究的瓶颈。本项目将研究采用微纳米级别原料的复相陶瓷刀具材料在热压烧结过程中多种因素影响下的微观组织结构演变，并研究陶瓷刀具材料热压烧结过程中晶粒生长达到不同尺寸所产生的尺寸效应对微观组织结构的影响。该研究丰富了现有陶瓷刀具材料的设计方法，完善了陶瓷刀具材料的设计理论，对高速高效切削用陶瓷刀具的研制具有较大意义。

复相陶瓷刀具材料可以提高切削效率，并适用于难加工材料的切削加工，其综合力学性能与微观组织结构有着密切联系。本项目研究了元胞自动机模型边界条件及模拟区域精确统计的问题，建立了包括晶粒生长、晶界迁移等复相陶瓷刀具材料烧结过程中关键因素的晶粒生长基本理论模型，并考虑烧结过程中的主要工艺参数对复相陶瓷刀具材料热压烧结过程微观组织结构演变过程的影响，建立了包含关键多因素耦合的两相陶瓷刀具材料热压烧结过程的晶粒生长模型。进一步将影响其致密化过程的最主要因素气孔和烧结助剂考虑进去，建立包含气孔和烧结助剂的复相陶瓷刀具材料模型，并研究了热压烧结过程中的气孔湮灭及烧结致密化机理。将复相陶瓷刀具材料热压烧结过程的微纳尺度微观组织结构演变的研究结果与其结合，用以研究复相陶瓷刀具材料烧结过程微纳尺度微观组织结构中的关键问题，建立了能够计算含多种性能原料组分的陶瓷刀具材料烧结过程的元胞自动机模型，并对复相陶瓷刀具材料烧结过程微纳尺度微观组织结构演变过程进行模拟。研究了由于二项粒子及烧结助剂的加入所产生的晶粒尺寸效应，对整个烧结体烧结过程中晶粒长大及最终烧结体的微观组织结构的影响。以基于元胞自动机模型的复合陶瓷刀具材料晶粒生长模拟研究结果为指导，采用热压烧结工艺制备了Al2O3/TiN复相陶瓷刀具材料并进行了微观组织分析研究。