(Ti,M)C基金屬陶瓷的制備、組織與性能研究.pdf

1、Ti(C,N)基金屬陶瓷具有較高的紅硬性、耐磨性、抗氧化性以及與不銹鋼等材料間極低的摩擦系數(shù)，是制作高性能工模具的理想候選材料。本文采用高能球磨-碳熱還原法制備了多元(Ti,M)C固溶體粉末，并以此作為硬質(zhì)相制備出金屬陶瓷坯體，以期獲得更好的綜合力學(xué)性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。采用X射線衍射儀(XRD)、金相顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、透射電子顯微鏡(TEM)、氮氧分析儀、碳硫分析儀、第一性原理計算軟件(Mat

2、erial Studio7.0)和抗彎強(qiáng)度測試儀、硬度計進(jìn)行相關(guān)的檢測和分析。系統(tǒng)研究了(Ti1-x,Wx)C固溶體制備過程中的物相演化規(guī)律、反應(yīng)機(jī)理及粉末特性；采用微波輔助碳熱還原法/傳統(tǒng)加熱碳熱還原法制備了(Ti,W,Nb)C固溶體，分析了微波輻射對固溶體粉末合成及特性的影響；研究了(Ti1-x,Wx)C成分變化和 WC添加方式對金屬陶瓷組織和性能的影響；在此基礎(chǔ)上，研究了Mo和TiC添加對(Ti,W)C基金屬陶瓷顯微組織和力學(xué)性能

3、的影響。
　　在碳熱還原處理時，球磨料中的氧化物發(fā)生逐步的脫氧和滲碳，確定了氧化物在還原過程中的物相轉(zhuǎn)變順序；碳熱還原過程中質(zhì)量轉(zhuǎn)移主要通過CO/CO2之間的反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)；合成的固溶體粉末的晶粒尺寸和晶格常數(shù)均隨W含量的提高而降低；CASTEP計算結(jié)果表明，(Ti1-x,Wx)C的晶胞總能量隨W含量的提高呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，當(dāng)W含量為12.5 at.％時，晶胞總能量最小，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定；其體積模量隨W含量的提高而增加，剪切模量隨W含

4、量提高而降低。
　　首次采用微波輔助碳熱還原法在1250℃保溫30min時合成了粒徑約100~350 nm超細(xì)(Ti,W,Nb)C固溶體粉末。微波輻射可加速碳熱還原過程中的脫氧和滲碳反應(yīng)，與傳統(tǒng)加熱碳熱還原法相比，采用微波輔助碳熱還原法可以降低合成溫度（100~200℃），并縮短保溫時間。
　　采用(Ti1-x,Wx)C作為硬質(zhì)相原料，制備了(Ti1-x,Wx)C-20Ni金屬陶瓷，并對其顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表

5、明，經(jīng)1450℃保溫1h后，(Ti1-x,Wx)C-20Ni金屬陶瓷組織中無明顯芯/環(huán)結(jié)構(gòu)，隨著固溶體中W含量的提高，陶瓷晶粒細(xì)化、孔洞數(shù)量減少、組織更均勻。與采用TiC+WC制備的金屬陶瓷相比，采用(Ti,W)C固溶體制備的金屬陶瓷在強(qiáng)韌性方面有較大提升，硬度略有下降。
　　(Ti0.68,W0.32)C-30Ni金屬陶瓷燒結(jié)后，組織中存在較弱的暗色芯相-灰色外環(huán)相結(jié)構(gòu)。添加Mo后，暗色芯相由初始的(Ti,W)C轉(zhuǎn)變?yōu)?Ti,W

6、,Mo)C固溶體，且隨著Mo添加量的提高，芯相中Mo原子濃度增加。添加適量的Mo可有效細(xì)化陶瓷晶粒，提高致密化程度和組織均勻性。Mo添加量為15wt.％時，材料綜合力學(xué)性能最好。過量Mo的添加（20wt.％）會導(dǎo)致更多孔洞的出現(xiàn)和陶瓷晶粒的集聚，惡化材料的綜合力學(xué)性能。
　　添加適量TiC后，(Ti0.68,W0.32)C-15Mo-30Ni金屬陶瓷組織中同時存在具有弱芯環(huán)結(jié)構(gòu)的陶瓷晶粒和黑色芯相-灰色環(huán)形相的陶瓷晶粒，晶粒尺寸呈