梯度结构Al2O3-(W,Ti)C-TiN-Mo-Ni纳米金属陶瓷刀具材料的设计及制备

倪秀英，赵 军，孙加林，李洪江，侯冠明，田 源

(1 山东大学 机械工程学院，济南 250061；2 鲁东大学 交通学院，山东 烟台 264025；3 雷沃国际重工股份有限公司，山东 潍坊261206；4 齐鲁工业大学 机械与汽车工程学院，济南 250061)

陶瓷刀具材料具有优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性[1]，但是其强度、断裂韧度较低，制约了陶瓷刀具的使用，而金属陶瓷的抗弯强度和断裂韧度比陶瓷高[2]，二者可以相互弥补。梯度功能材料(Functional Graded Materials，FGM)能实现材料性能的裁剪，使刀具材料的本体强度、断裂韧度和表面硬度都得到提高。故FGM能满足高速硬切削加工所需的表层硬、中间韧，而且能缓解热应力和冲击应力的刀具要求。Zhao等[3-4]借鉴梯度功能材料概念，以残余应力与外加应力部分抵消为目标，优化设计了梯度陶瓷刀具材料。材料表层形成压应力，断裂阻抗明显提高，导致强度、韧性提高，表面微硬度也有一定的增加。在金属-陶瓷功能梯度材料中，断裂韧度随金属相的体积分数的增加而增加[5]。一些二次裂纹在金属-陶瓷叠层材料的陶瓷层中萌生、扩展，继而与金属层界面相交，金属层能阻止裂纹的继续扩展[6]。进一步研究发现，功能梯度陶瓷复合材料层间界面可减缓裂纹扩展[7]。近年来，对梯度功能材料的残余应力与微观结构的关系[8]、力学性能与层数的关系[9]及梯度功能材料制备方法等方面[10-11]也有一定的研究。研究者采取许多措施来提高陶瓷材料的力学性能，例如：通过添加TiC[12]，(W,Ti)C[13]增韧氧化铝陶瓷复合材料，Ni，Mo和Co金属相增韧的硬质合金强化氧化铝陶瓷复合材料[14-16]等。……