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本研究以控制陶瓷刀具材料缺陷和降低其脆性为目标,研制出了具有良好力学性能和切削性能的新型Al2O3基复合陶瓷刀具。对陶瓷)刀具材料的物相组成、微观组织、室温力学性能、高温抗弯强度、柱状晶生长机理、低缺陷烧结机理、增韧补强机理、刀具的切削性能和磨损可靠性进行了深入系统地研究。提出了基于缺陷控制技术研制新型复合陶瓷刀具的新方法和基于缺陷容限法设计陶瓷刀具材料微观组织的方法。揭示了缺陷形成和演化规律,提出了控制微裂纹和气孔等主要缺陷源的方法,建立了低缺陷控制理论模型。研制了 AS、AST和ASN三种不同缺陷程度和室温力学性能的新型Al2O3基复合陶瓷刀具材料。其中,AS陶瓷刀具材料的缺陷最少,微观组织均匀,具有最优的综合力学性能,而AST和ASN刀具材料中缺陷较多,微观组织均匀性较差,力学性能存在不同程度的下降。低缺陷AS陶瓷刀具材料的抗弯强度、断裂韧度、维氏硬度和相对密度分别为1093 MPa、6.8 MPa·m1/2、19.5 GPa和99.6%;AST陶瓷刀具材料的抗弯强度、断裂韧度、维氏硬度和相对密度分别为1079 MPa,6.4 MPa·m1/2,19 GPa和98.5%;ASN陶瓷刀具材料的抗弯强度、断裂韧度、维氏硬度和相对密度分别为977MPa、6.4MPa·m1/2、18.2GPa和98.1%。提出并研究了分段升温、逐段保温的新型陶瓷刀具材料真空热压烧结工艺。AS、AST和ASN陶瓷刀具材料的烧结保温时间均为20 min,烧结压力均为32 MPa。AS 和 ASN 陶瓷刀具材料均由 73.5 wt.%Al203-25 wt.%α-Si3N4-1.5 wt.%Y203组成的复合陶瓷粉末分别在1500℃和1550℃的温度下烧结而成;AST陶瓷刀具材料的配比为 58.5 wt.%Al2O3-15 wt.%TiC-25 wt.%α-Si3N4-.5 wt.%Y203,在 1500 ℃的温度下烧结而成。研究了 AS、AST和ASN三种陶瓷刀具材料在800 ℃～1200 ℃高温时的高温抗弯强度和断裂行为。结果表明,三种陶瓷刀具材料的应力均随着应变的递增而基本呈线性增大趋势,且断口形貌均以穿晶断裂为主,高温断裂前材料均处于弹性应变阶段。三种陶瓷刀具材料的弹性模量和高温抗弯强度随着温度的升高而逐渐降低。随着温度的升高,晶界相粘度减小,结晶化耐高温晶界相Y2Si2O7和Y3Al5O12和二次析出的小晶粒抑制了晶界滑移,提高了陶瓷刀具材料的抗高温蠕变性能。在800 ℃时,AS、AST和ASN的抗弯强度值分别为664 MPa、538 MPa和549 MPa;在1000 ℃时,AS、AST和ASN的抗弯强度值分别为525 MPa、508 MPa和510 MPa;在1200 ℃时,AS、AST和ASN刀具材料的抗弯强度值分别为407 MPa、398 MPa 和 392 MPa。研究了原位生长β-Si3N4和β-SiAlON晶体的复合粗糙界面的异质形核过程与生长机理,建立了其形核与生长的动力学模型。结果表明,β-Si3N4和β-SiAlON柱状晶的主要生长过程包括晶胚形成、晶胚生长成稳定的晶核和晶核长大。形核与生长的主要机理是溶解-扩散-淀析机制,β-SiAlON晶胚的形成机理是异价双重置换填隙固溶反应机制。热压压力增强了 β-Si3N4和β-SiAlON晶胚的形核能力,促进了其晶核沿c轴的定向生长。研究了 AS、AST和ASN陶瓷刀具的低缺陷烧结机理。结果表明,其主要机理是以晶界扩散为主的致密化机理,建立了陶瓷刀具在液相热压烧结条件下的低缺陷烧结动力学模型。研究了AS、AST和ASN陶瓷刀具材料的增韧补强机理。结果表明,原位生长的β-Si3N4或β-SiAlON柱状晶、均匀分布的α-Si3N4和TiC对三种刀具起到了主要的增强增韧作用;互锁和网状骨架结构、晶内型纳米结构、芯-壳结构对刀具材料均具有一定的增韧补强作用。主要增韧补强机理是柱状晶/晶粒桥联与拔出、裂纹偏转、分叉与钉扎作用等。研究了新型Al2O3基复合陶瓷刀具在连续湿式切削镍基高温合金GH3536和热作模具钢H13时的切削性能和刀具磨损机理。结果表明,AS、AST和ASN刀具的切削性能和抗磨损能力明显优于对比刀具LT55。当切削GH3536时,三种新型陶瓷刀具的主要失效形式均为脆性剥落、破损和沟槽磨损。AS刀具的磨损机理为边界沟槽磨损和粘结磨损;AST刀具的磨损机理为边界沟槽磨损、粘结磨损、磨粒磨损和氧化磨损;ASN刀具的磨损机理为边界沟槽磨损、磨粒磨损和粘结磨损。当切削H13时,三种新型陶瓷刀具的主要失效形式均为前刀面脆性破损和剥落、刀尖微崩和后刀面磨粒磨损,磨损机理均为磨粒磨损、粘结磨损和边界磨损。研究了 AS、AST和ASN新型陶瓷刀具材料力学性能和刀具磨损寿命的随机性,以及刀具磨损可靠性。建立了 AS、AST和ASN复合陶瓷刀具材料抗弯强度、断裂韧度和硬度的威布尔分布模型,结果表明,缺陷对三种刀具材料力学性能随机性的影响规律一致,即变异系数和Weibull模数大小顺序均为Cs(σ)>Cs(KIC)>Cs(HV)和m(HV)>m>(KIC)>m(σ)。建立了 AS、AST和ASN新型陶瓷刀具连续切削镍基高温合金GH3536和热作模具钢H13时刀具磨损寿命威布尔分布模型和刀具磨损可靠度模型,结果表明,三种刀具磨损寿命的变异系数和Weibull模数大小顺序依次为Cs(ASN)>Cs(AST)>Cs(AS)和m(AS)>m(AST)>m(ASN)。揭示了缺陷对陶瓷刀具力学性能和磨损寿命随机性的影响规律,致密性好、缺陷分布均匀的陶瓷刀具材料的力学性能重复性好、磨损可靠性高。