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高强韧性Ti(C,N)基金属陶瓷制备技术的研究

赵永乐  
【摘要】: 本文采用真空烧结法制备了Ti(C,N)基金属陶瓷,系统地研究了Ti(C,N)基金属陶瓷的成分、烧结工艺、组织结构和力学性能等之间的关系。 本文首先综述了Ti(C,N)基金属陶瓷的发展概况和研究进展,总结了Ti(C,N)基金属陶瓷的制备技术、成分及添加剂对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响;概述了SiC晶须和CNT增韧技术的研究进展和发展趋势,并在此基础上提出了本文的目的和意义。 首先研究了保温时间对Ni和Ni-Co两种粘结相体系的Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。结果表明:在不同保温时间下,溶解析出程度不同,从而影响环形相的结构和厚度,进而影响金属陶瓷的力学性能。对于上述两种成分体系,当烧结温度分别为1450℃和1410℃时,保温时间为60min,金属陶瓷的显微组织和力学性能较佳。 研究了不同Ni含量及Co/(Ni+Co)比例对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。实验结果表明:随着Ni含量的降低,硬质相颗粒变得粗大,抗弯强度和断裂韧性逐渐降低,而硬度逐渐增大。采用Co部分替代Ni时,由于固相烧结阶段TiC在Co中的溶解度比在Ni中高,使硬质相颗粒细化。随着Co/(Ni+Co)比例的提高,环形相体积分数增加,但是粘结相对硬质相的润湿性下降,导致硬质颗粒团聚现象严重。当Co/(Ni+Co)比为0.2时,材料的抗弯强度较高,断裂韧性相对于仅含Ni的金属陶瓷略有下降。 研究了不同晶粒长大抑制剂Cr3C2、TaC和NbC对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。晶粒抑制剂的加入,使粘结相中固溶的合金元素含量增加,环形相厚度变薄。当Cr3C2、TaC、NbC添加量分别为0.6 wt%、5wt%、3wt%时,晶粒长大抑制效果最佳,且环形相仍然保持完整。随着晶粒抑制剂添加量的继续增加,粘结相对硬质相颗粒的润湿性下降明显,导致材料的抗弯强度降低。 研究了不同SiC晶须和碳纳米管(CNT)添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。结果表明:SiC晶须添加量为1.0wt%时,可使晶粒细化,显著提高金属陶瓷的强韧性,强度和断裂韧性达到最大值分别为2279MPa、17.7MPa·m1/2,比金属陶瓷基体分别提高了24%、29%;SiC晶须增韧金属陶瓷的机理主要是裂纹偏转、晶须的拔出及晶须的桥联增韧。随着CNT添加量的增加,粘结相中固溶的W、Mo、Ti元素含量降低,粘结相的韧性增加。当CNT添加量为0.5wt%时,可获得最佳的强韧性;CNT对金属陶瓷的增韧主要是通过CNT的拔出机制。由于SiC晶须和CNT不易分散,且液相对其润湿性较差,加入量过多时会导致材料孔隙度增加,力学性能急剧降低。


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