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無錫國勁合金有限公司
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無錫國勁合金有限公司
閱讀：173發布時間：2017-2-10
近年來,γ’相強化Co-Al-W基合金的發現為發展新型鈷基高溫合金開辟了新的道路,并迅速成為高溫合金界的研究熱點。然而,由于Co-Al-W基合金的γ’相溶解溫度較低且γ/γ’兩相區較窄,如何提高γ’相溶解溫度并在服役溫度下保持長時組織穩定性是發展此類合金的首要問題。同時,發展高性能新型鈷基高溫合金亟需深入理解其變形機制,特別是更高溫度的蠕變行為。由于該類鈷基高溫合金研發時間較短,相關研究非常有限,并且缺乏熱力學數據庫的支持,為上述問題的解決帶來了挑戰。本論文在前期三元合金研究的基礎上,選擇并分析了Ta、Ti、Nb、Mo和V等五種合金化元素對Co-9A1-10W基合金四元合金γ’相溶解溫度、γ/γ’兩相組織演變、二次相析出及長大的影響。基于合金化元素對γ’相溶解溫度和組織穩定性影響的規律性認識,進一步研究了Ta和Ti的單獨及交互作用對成分分配行為、錯配度、高溫長時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理。合金化元素對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℃時效后各個四元合金的γ’相體積分數均在74-83%之間,與基礎合金沒有明顯差異。Ta、Nb和Mo顯著促進了熱處理后二次相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γ’相溶解溫度和組織穩定性作用研究的基礎上,設計了含有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的單獨及交互作用對單晶合金組織穩定性和高溫蠕變行為的影響。結果表明：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’相體積分數,兩者的交互作用進一步提高了γ’相溶解溫度和體積分數。在Ta和Ti的共同作用下,W、Ta和Ti等大原子半徑元素優*入γ’相,從而提高γ’相的晶格常數,產生正的γ/γ’兩相錯配度。含Ta和Ti的五元合金經1050℃/1000h*時效后依然保持γ/γ’兩相結構,γ’體積分數大于60%,組織穩定性顯著優于已報道的同類合金。高溫蠕變行為的研究結果表明：含Ta和Ti的五元合金在1000℃左右的蠕變行為由初始蠕變、穩態蠕變和加速蠕變三個階段組成。其在10000C/137MPa的蠕變性能超過已報道蠕變壽命zui長的同類合金,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。在正錯配度導致的共格應力和外加拉應力的疊加作用下,γ’相在蠕變過程中沿應力軸方向發生定向粗化,形成平行于應力軸方向的筏排組織。穩態蠕變階段的主要位錯結構為γ/γ’兩相界面位錯網絡、γ’相中的層錯和反相疇界。分析表明,筏排組織中連續的γ/γ’兩相界面,位錯切割γ’相形成的層錯和反相疇界,以及γ’相中的位錯交截阻礙了位錯運動,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、納米加工和微細加工的發展，對切削性能的要求日益提高。與普通中等晶粒度和細晶硬質合金相比，超細WC-Co類硬質合金具有更高的硬度、耐磨性和橫向斷裂強度，正成為硬質合金領域的一個重點發展方向。本文采用低壓燒結方法，制備了0.2級不同含鈷量WC-Co類超細硬質合金、0.5級含鈷10wt.%的有與無晶粒長大抑制劑、粉末熱處理與直接燒結WC-Co類超細硬質合金。通過顯微組織結構分析、力學和物理性能測試、切削力、切削溫度、零件已加工表面粗糙度、磨損和破損試驗，對超細硬質合金的切削性能進行了深入分析，探討了超細硬質合金的切削機理。運用模糊數學方法，對不同工藝和成分的超細硬質合金切削性能進行了綜合評判，為鎢鈷類超細硬質合金的研發和應用提供理論依據和數據支撐。本文的主要工作內容及所取得的成果如下：（1）對試驗用0.2級和0.5級不同超細硬質合金材料的顯微組織結構進行了分析、并對其力學和物理性能進行了測試，結果表明：硬質相WC晶粒超細化和燒結前對粉末進行熱處理均可以改善超細硬質合金的顯微組織結構，在一定程度上提高超細硬質合金的綜合力學性能；超細硬質合金的顯微組織結構與粘結相鈷的含量密切相關，過高或過低的含鈷量都對超細硬質合金的顯微組織結構不利，降低超細硬質合金的物理和力學性能；添加晶粒長大抑制劑在提高晶粒尺寸的均勻度、致密度和硬度的同時，也會使超細硬質合金的韌性下降。（2）對0.2級和0.5級不同超細硬質合金車削高溫合金GH2132進行了切削力、切削溫度和已加工表面粗糙度試驗，對試驗數據進行了線性回歸處理和分析，對零件已加工表面進行了微觀形貌觀察，得到了不同超細硬質合金切削力、切削溫度和已加工表面粗糙度隨切削參數變化的規律和經驗公式，并與普通中等晶粒度和細晶硬質合金進行了對比。切削用量三要素對刀—屑間平均摩擦系數的影響不明顯，但對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；隨著晶粒度的減小，單位切削力有減小的趨勢，表面粗糙度有增大的趨勢，晶粒度的大小對切削溫度的影響隨切削用量的變化呈現非線性關系；含鈷量多少對切削力、刀—屑間平均摩擦系數、切削溫度和零件已加工表面粗糙度的影響呈現出一種復雜的非線性關系，適當的含鈷量可以使切削力、刀—屑間平均摩擦系數和切削溫度保持在較低的水平；添加晶粒長大抑制劑將使0.5μm級超細硬質合金單位切削力和刀—屑間平均摩擦系數增大，零件已加工表面粗糙度減小，對切削溫度的影響主要與切削用量的大小和材料的導熱系數有關；粉末熱處理將使其單位切削力、刀—屑間平均摩擦系數和零件已加工表面粗糙度減小，改善零件已加工表面質量，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大抑制劑有關。（3）通過對磨損原因的分析，建立了硬質合金后刀面磨損的數學模型，并對超細硬質合金進行了切削難加工材料磨損和破損試驗，對后刀面磨損微區微觀形貌和化學成分分別進行了觀察和分析，結果表明：超細硬質合金高速切削高溫合金時磨損的主要原因是粘接磨損；硬質相WC的晶粒越細，耐磨性越好；適當降低含鈷量有助于提高超細硬質合金的抗磨料磨損、擴散磨損和氧化磨損性能，適當提高含鈷量有助于提高超細硬質合金的抗粘接磨損和抗崩刃破損性能，但過高或過低的含鈷量都將對的耐磨性和抗破損性能產生不利的影響；進行粉末熱處理的超細WC-Co類硬質合金耐磨性和抗破損性能得到提高；適當添加晶粒長大抑制劑可在一定程度上提高超細WC-Co類硬質合金耐磨損和抗沖擊破損性能；試驗結果所反映的規律與所建立的后刀面磨損數學模型一致。（4）根據試驗所用WC-Co類硬質合金顯微組織結構分析的實驗數據，采用模糊聚類分析方法，得到WC-Co類硬質合金模糊聚類關系圖；運用模糊數學的方法，把影響材料切削性能的各項指標結合在一起，建立了考慮各切削性能指標的綜合模糊評判模型，并對試驗所用超細硬質合金切削難加工材料的切削性能進行了綜合評判，確定了*超細硬質合金的晶粒尺寸、成分和制作工藝。（5）通過對直徑0.5mm的0.5μm級和0.6μm級超細硬質合金鉆頭與細晶硬質合金鉆頭的磨損和壽命對比試驗，研究了不同工藝條件制作的0.5μm級WC-Co類超細硬質合金微細鉆頭的鉆削性能，分析了使用壽命的YG10U-Ar-GGI微細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律和折斷失效機理。
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