反應(yīng)—熱壓燒結(jié)TiN-TiB2復(fù)相陶瓷的高溫氧化與干滑動磨損行為.pdf

1、本文以Ti、BN、B和MoSi2粉體為原料,采用反應(yīng)熱壓燒結(jié)法制備了不同組分的TiN–TiB2復(fù)相陶瓷及 TiN–TiB2–MoSi2復(fù)相陶瓷。通過研究 Ti、B混合粉體和Ti、BN混合粉體在高溫下的具體反應(yīng)路徑,制定了TiN–TiB2基復(fù)相陶瓷的反應(yīng)燒結(jié)制備工藝。在成功制備TiN–TiB2基復(fù)相陶瓷的基礎(chǔ)上，對其顯微組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、高溫靜態(tài)氧化行為和寬溫域下的干滑動磨損行為進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,探討了反應(yīng)熱壓燒結(jié)TiN–TiB2基復(fù)

2、相陶瓷的強(qiáng)韌化機(jī)制、氧化機(jī)理及磨損機(jī)理。
　　在20oC·min–1的升溫速率下,在1300℃以下溫度范圍內(nèi)Ti與B或BN粉體之間發(fā)生受擴(kuò)散控制的固–固反應(yīng),不會引爆高溫自蔓延燃燒反應(yīng)。反應(yīng)物通過擴(kuò)散、固溶與反應(yīng)形成α-TiN0.3、TiB、Ti2N和TiNx等中間反應(yīng)產(chǎn)物,但隨著煅燒溫度提高,這些中間反應(yīng)產(chǎn)物都最終反應(yīng)生成熱力學(xué)穩(wěn)定的TiN和TiB2,沒有初始反應(yīng)物或中間反應(yīng)產(chǎn)物殘留?；诖?制定了“中溫反應(yīng),高溫?zé)Y(jié)”的二步法

3、反應(yīng)燒結(jié)工藝,并成功制得了設(shè)計組分的TiN–TiB2基復(fù)相陶瓷。
　　由于中溫段反應(yīng)生成的TiN和TiB2粉體粒徑大小不同,它們在燒結(jié)過程中晶界遷移速率不同,最終導(dǎo)致通過二步法反應(yīng)熱壓燒結(jié)的TiN–TiB2復(fù)相陶瓷具有“晶內(nèi)/晶間混合型”的結(jié)構(gòu)特征。隨燒結(jié)溫度的提高,TiN–TiB2復(fù)相陶瓷的致密度和力學(xué)性能都大幅提升。在1800℃燒結(jié)的3種不同組分的TiN–TiB2復(fù)相陶瓷的致密度都超過了97％,其中TiN與TiB2相摩爾比為2

4、:1的NB21復(fù)相陶瓷具有最高致密度,同時它還具有最大的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性,分別為732MPa和8.5MPa·m1/2,明顯優(yōu)于TiB2單相陶瓷。對NB21復(fù)相陶瓷的強(qiáng)韌化機(jī)制進(jìn)行了討論,結(jié)果表明 NB21復(fù)相陶瓷的斷裂模式為穿晶斷裂和沿晶斷裂混合型,晶粒細(xì)化和殘余應(yīng)力場對晶界的強(qiáng)化造成材料強(qiáng)度提高,而裂紋偏轉(zhuǎn)、橋聯(lián)和TiN晶穿晶斷裂面的臺階狀擴(kuò)展等使裂紋擴(kuò)展過程中消耗更多的斷裂能,促進(jìn)了材料斷裂韌性的提高。
　　TiN–TiB2

5、復(fù)相陶瓷在500℃以上氧化生成了TiO2、B2O3和N2。低于800℃靜態(tài)氧化時,致密的氧化層能對內(nèi)部基體材料的氧化起到保護(hù)作用,TiN–TiB2復(fù)相陶瓷的氧化受O2(O2–)通過氧化層向內(nèi)擴(kuò)散控制,其氧化動力學(xué)曲線符合拋物線規(guī)律。在800℃以上溫度時,B2O3蒸發(fā)加速造成氧化層疏松多孔,加速了O2(O2–)向氧化層內(nèi)擴(kuò)散速率,同時向外擴(kuò)散的Ti4+在氧化層表面生成向外生長的TiO2,TiN–TiB2復(fù)相陶瓷的氧化轉(zhuǎn)變?yōu)槭芊磻?yīng)速率控制,

6、其氧化動力學(xué)曲線向線性規(guī)律轉(zhuǎn)變。由于 MoSi2氧化生成的SiO2能有效減緩 O2(O2–)通過氧化層向內(nèi)擴(kuò)散速率并愈合修復(fù)氧化層中的空洞,添加MoSi2可以改善TiN–TiB2復(fù)相陶瓷的抗氧化性能。TiN–TiB2–MoSi2復(fù)相陶瓷在800–1300℃溫度范圍內(nèi)始終表現(xiàn)出拋物線型的靜態(tài)氧化增重行為。
　　TiN–TiB2復(fù)相陶瓷具有優(yōu)異的耐磨性能。在0.02m·s–1的低滑動速率下與Al2O3球配副進(jìn)行球盤往復(fù)式干滑動摩擦?xí)r,

7、TiN–TiB2復(fù)相陶瓷的體積磨損率在10–8–10–6mm3·N–1·m–1數(shù)量級。隨溫度的增加,TiN–TiB2復(fù)相陶瓷的磨損機(jī)制發(fā)生變化。室溫時,TiN–TiB2復(fù)相陶瓷的磨損主要是微斷裂磨損;400℃時,除輕微斷裂磨損外,TiN–TiB2復(fù)相陶瓷還發(fā)生了摩擦氧化磨損;700℃時, TiN–TiB2復(fù)相陶瓷的磨損主要是氧化磨損,摩擦氧化生成的TiO2(A)和熱氧化生成的TiO2(R)和B2O3能對摩擦副起到有效的降摩減磨作用。

8、r>　　在0.13m·s–1的高滑動速率下與Al2O3球配副的球盤回轉(zhuǎn)式干滑動摩擦?xí)r, NB21、NBMS20復(fù)相陶瓷和TiB2單相陶瓷的磨損機(jī)制同樣隨溫度的升高而發(fā)生改變。在室溫和600℃時,三種材料的磨損機(jī)制主要為斷裂磨損和磨粒磨損,體積磨損率與材料的斷裂韌性和硬度有關(guān)。由于具有最高的斷裂韌性,NB21在三種材料中具有最低的體積磨損率(在10–6mm3·N–1·m–1數(shù)量級),比TiB2單相陶瓷要低一個數(shù)量級。而NBMS20由于斷裂