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无锡国劲合金有限公司
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阅读：169发布时间：2017-2-10
近年来,γ’相强化Co-Al-W基合金的发现为发展新型钴基高温合金开辟了新的道路,并迅速成为高温合金界的研究热点。然而,由于Co-Al-W基合金的γ’相溶解温度较低且γ/γ’两相区较窄,如何提高γ’相溶解温度并在服役温度下保持长时组织稳定性是发展此类合金的首要问题。同时,发展高性能新型钴基高温合金亟需深入理解其变形机制,特别是更高温度的蠕变行为。由于该类钴基高温合金研发时间较短,相关研究非常有限,并且缺乏热力学数据库的支持,为上述问题的解决带来了挑战。本论文在前期三元合金研究的基础上,选择并分析了Ta、Ti、Nb、Mo和V等五种合金化元素对Co-9A1-10W基合金四元合金γ’相溶解温度、γ/γ’两相组织演变、二次相析出及长大的影响。基于合金化元素对γ’相溶解温度和组织稳定性影响的规律性认识,进一步研究了Ta和Ti的单独及交互作用对成分分配行为、错配度、高温长时组织演变和高温蠕变行为的影响,分析并阐明Co-Al-W-Ta-Ti单晶高温合金蠕变机理。合金化元素对显微组织影响的研究表明：Ta、Ti和Nb均不同程度地提高Co-9Al-10W基合金的γ’相溶解温度,其中Ta和Ti的提高作用zui为显著。900℃时效后各个四元合金的γ’相体积分数均在74-83%之间,与基础合金没有明显差异。Ta、Nb和Mo显著促进了热处理后二次相μ相和x相的析出,并且这些二次相的析出量随合金化元素含量的提高而明显增多。在合金化元素对γ’相溶解温度和组织稳定性作用研究的基础上,设计了含有Ta和Ti的Co-7Al-8W基系列合金,并成功使用定向凝固工艺制备了钴基单晶合金,研究了Ta和Ti的单独及交互作用对单晶合金组织稳定性和高温蠕变行为的影响。结果表明：新型钻基高温合金的凝固偏析程度较低,不易形成凝固缺陷,适合制备大尺寸的单晶材料。4at.%Ti比1at.%Ta更显著提高γ’相溶解温度和丫’相体积分数,两者的交互作用进一步提高了γ’相溶解温度和体积分数。在Ta和Ti的共同作用下,W、Ta和Ti等大原子半径元素优*入γ’相,从而提高γ’相的晶格常数,产生正的γ/γ’两相错配度。含Ta和Ti的五元合金经1050℃/1000h*时效后依然保持γ/γ’两相结构,γ’体积分数大于60%,组织稳定性显著优于已报道的同类合金。高温蠕变行为的研究结果表明：含Ta和Ti的五元合金在1000℃左右的蠕变行为由初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个阶段组成。其在10000C/137MPa的蠕变性能超过已报道蠕变寿命zui长的同类合金,并且在982℃/248MPa条件下的蠕变寿命介于*代和第二代镍基单晶高温合金之间。在正错配度导致的共格应力和外加拉应力的叠加作用下,γ’相在蠕变过程中沿应力轴方向发生定向粗化,形成平行于应力轴方向的筏排组织。稳态蠕变阶段的主要位错结构为γ/γ’两相界面位错网络、γ’相中的层错和反相畴界。分析表明,筏排组织中连续的γ/γ’两相界面,位错切割γ’相形成的层错和反相畴界,以及γ’相中的位错交截阻碍了位错运动,提供了蠕变抗力。
随着高速和超高速切削加工、精密模具和工具制造、纳米加工和微细加工的发展，对切削性能的要求日益提高。与普通中等晶粒度和细晶硬质合金相比，超细WC-Co类硬质合金具有更高的硬度、耐磨性和横向断裂强度，正成为硬质合金领域的一个重点发展方向。本文采用低压烧结方法，制备了0.2级不同含钴量WC-Co类超细硬质合金、0.5级含钴10wt.%的有与无晶粒长大抑制剂、粉末热处理与直接烧结WC-Co类超细硬质合金。通过显微组织结构分析、力学和物理性能测试、切削力、切削温度、零件已加工表面粗糙度、磨损和破损试验，对超细硬质合金的切削性能进行了深入分析，探讨了超细硬质合金的切削机理。运用模糊数学方法，对不同工艺和成分的超细硬质合金切削性能进行了综合评判，为钨钴类超细硬质合金的研发和应用提供理论依据和数据支撑。本文的主要工作内容及所取得的成果如下：（1）对试验用0.2级和0.5级不同超细硬质合金材料的显微组织结构进行了分析、并对其力学和物理性能进行了测试，结果表明：硬质相WC晶粒超细化和烧结前对粉末进行热处理均可以改善超细硬质合金的显微组织结构，在一定程度上提高超细硬质合金的综合力学性能；超细硬质合金的显微组织结构与粘结相钴的含量密切相关，过高或过低的含钴量都对超细硬质合金的显微组织结构不利，降低超细硬质合金的物理和力学性能；添加晶粒长大抑制剂在提高晶粒尺寸的均匀度、致密度和硬度的同时，也会使超细硬质合金的韧性下降。（2）对0.2级和0.5级不同超细硬质合金车削高温合金GH2132进行了切削力、切削温度和已加工表面粗糙度试验，对试验数据进行了线性回归处理和分析，对零件已加工表面进行了微观形貌观察，得到了不同超细硬质合金切削力、切削温度和已加工表面粗糙度随切削参数变化的规律和经验公式，并与普通中等晶粒度和细晶硬质合金进行了对比。切削用量三要素对刀—屑间平均摩擦系数的影响不明显，但对切削力和单位切削力的大小、切削温度和已加工表面粗糙度均有影响，且随着切削速度的增大，零件已加工表面粗糙度有减小的趋势；随着晶粒度的减小，单位切削力有减小的趋势，表面粗糙度有增大的趋势，晶粒度的大小对切削温度的影响随切削用量的变化呈现非线性关系；含钴量多少对切削力、刀—屑间平均摩擦系数、切削温度和零件已加工表面粗糙度的影响呈现出一种复杂的非线性关系，适当的含钴量可以使切削力、刀—屑间平均摩擦系数和切削温度保持在较低的水平；添加晶粒长大抑制剂将使0.5μm级超细硬质合金单位切削力和刀—屑间平均摩擦系数增大，零件已加工表面粗糙度减小，对切削温度的影响主要与切削用量的大小和材料的导热系数有关；粉末热处理将使其单位切削力、刀—屑间平均摩擦系数和零件已加工表面粗糙度减小，改善零件已加工表面质量，并可在一定程度上降低切削温度，但降低的程度与是否添加晶粒长大抑制剂有关。（3）通过对磨损原因的分析，建立了硬质合金后刀面磨损的数学模型，并对超细硬质合金进行了切削难加工材料磨损和破损试验，对后刀面磨损微区微观形貌和化学成分分别进行了观察和分析，结果表明：超细硬质合金高速切削高温合金时磨损的主要原因是粘接磨损；硬质相WC的晶粒越细，耐磨性越好；适当降低含钴量有助于提高超细硬质合金的抗磨料磨损、扩散磨损和氧化磨损性能，适当提高含钴量有助于提高超细硬质合金的抗粘接磨损和抗崩刃破损性能，但过高或过低的含钴量都将对的耐磨性和抗破损性能产生不利的影响；进行粉末热处理的超细WC-Co类硬质合金耐磨性和抗破损性能得到提高；适当添加晶粒长大抑制剂可在一定程度上提高超细WC-Co类硬质合金耐磨损和抗冲击破损性能；试验结果所反映的规律与所建立的后刀面磨损数学模型一致。（4）根据试验所用WC-Co类硬质合金显微组织结构分析的实验数据，采用模糊聚类分析方法，得到WC-Co类硬质合金模糊聚类关系图；运用模糊数学的方法，把影响材料切削性能的各项指标结合在一起，建立了考虑各切削性能指标的综合模糊评判模型，并对试验所用超细硬质合金切削难加工材料的切削性能进行了综合评判，确定了*超细硬质合金的晶粒尺寸、成分和制作工艺。（5）通过对直径0.5mm的0.5μm级和0.6μm级超细硬质合金钻头与细晶硬质合金钻头的磨损和寿命对比试验，研究了不同工艺条件制作的0.5μm级WC-Co类超细硬质合金微细钻头的钻削性能，分析了使用寿命的YG10U-Ar-GGI微细钻头切削刃磨损和折断断口的形貌，初步探讨了微钻的磨损规律和折断失效机理。
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