鈷包覆Al-,2-O-,3--TiC復合材料的力學性能及強韌化機制.pdf

1、Al2O3-TiC復合材料(簡稱AT)是一種重要的結構陶瓷，由于高的硬度、良好的化學穩(wěn)定性和耐磨性，得到了較為廣泛的應用。但在使用中存在開裂及表面剝落等現(xiàn)象，表明其韌性和強度較低，還有待提高。 采用化學鍍的力法將金屬Co包覆在Al2O3和TiC粉體的表面，可望避免傳統(tǒng)球磨法所導致的有少量金屬相的陶瓷粉體混合不均勻的問題；通過加入少量金屬相進行界面改性，改善單一顆粒增韌的強韌化效果，實現(xiàn)復合增韌。 本研究采用熱壓燒結工藝制

2、備了Co包覆Al2O3-TiC復合材料(簡稱ATC)，主要研究內容如下：采用不同Co含量(1.5～5vol％)的包覆型Al2O3和TiC混合粉體進行了1500～1700℃的熱壓燒結實驗研究，并檢測了各試樣的常溫下的硬度、抗彎強度、斷裂韌性。作為對比，在1700℃熱壓燒結了未包覆的AT復合材料。與AT復合材料相比，ATC復合材料的力學性能有較大幅度的提高。在實驗范圍內，可以認為4vol％的Co含量為最佳含量，最佳綜合力學性能為：硬度HRA

3、為92.7、σ為782MPa，KIC為7.81MPa·m1/2。其斷裂韌性、斷裂強度與AT復合材料相比分別提高了59％和40％。進一步的工藝參數(shù)優(yōu)化結果表明，最佳工藝為1650℃/30min/30MPa。 利用XRD、EPMA、SEM、TEM和HRTEM研究了ATC4復合材料的微觀結構。表征結果表明，復合材料的相組成為α-Al2O3、TiC和Co，沒有新相生成。Co相在Al2O3基體中分布比較均勻，部分位于TiC與Al2O3的界

4、面間，且分布良好。晶間的Co顆粒對位錯產生釘扎，亞界面的形成使基體細化。斷裂方式為沿晶與穿晶混合斷裂，并且可見較高長徑比晶粒的拔出。HRTEM觀察表明Co與Al2O3兩者間的界面主要為半共格界面。由于燒結溫度高于Co的熔點，在降溫過程中Co由熔融態(tài)凝結為固態(tài)，Co傾向于與Al2O3晶面成擇優(yōu)取向方向結合。 ATC4復合材料中的Co顆粒熱殘余應力增韌和廷性金屬相增韌對增韌的貢獻均較微弱。ATC4復合材料的韌性提高主要來自裂紋和Ti

5、C顆粒直接作用時更為有效的裂紋橋聯(lián)與裂紋偏轉?！熬чg型”Co顆粒同時起到了細化基體晶粒和強化晶界的作用，并且對位錯還具有釘扎作用。對材料表面壓痕裂紋的分形維數(shù)的計算表明，ATC4復合材料具有更高的分形維數(shù)，斷裂韌性與分形維數(shù)之間存在著正比的對應關系。Co對復合材料韌性的提高主要表現(xiàn)在其間接作用：Co相既促使具有較高長徑比的TiC顆粒生成又保證了橋聯(lián)顆粒與基體間相對較弱的界面結合，使裂紋橋聯(lián)和偏轉機制得以有效發(fā)揮。 采用急冷-強度

6、法與壓痕-急冷法對AT和ATC4復合材料的單次和循環(huán)抗熱震性能進行了研究。兩種測試方法均表明，復合材料ATC的抗熱震性能比AT的抗熱震性能有所提高。但兩種材料對循環(huán)熱震都較為敏感，而且在較高循環(huán)次數(shù)下(400℃下20次)循環(huán)熱震后兩者抗熱震性能接近。實驗表明這是由于試樣中的TiC顆粒發(fā)生了顯著的氧化反應，生成大量的蘭花狀TiO2造成的?？篃嵴饏?shù)(R、R′、R″″、Rst)的計算結果表明，相對于AT復合材料，ATC4復合材料由于具有較高