化学成分对Ti（C，N）基金属陶瓷的组织和力学性能的影响

【摘要】： 本文用粉末冶金工艺制备了Ti(C,N)基金属陶瓷,并采用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X-射线能谱(EDX)等试验手段研究了C、WC、Mo和碳纳米管(CNTs)含量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织结构和性能的影响。 概述了Ti(C,N)基金属陶瓷的组织性能和发展过程,并指出了Ti(C,N)基金属陶瓷的发展趋势;同时概述了碳纳米管(CNTs)及其增强复合材料的发展现状和趋势。在此基础上指出了本文的研究目的和意义,介绍了本文的试验原材料、研究内容和试验方法. 采用TiN和TiC等陶瓷粉体原材料,以金属Co作为粘结剂,制备了Ti(C,N)-Co金属陶瓷材料,研究了不同C含量、WC含量和Mo含量对金属陶瓷的显微组织和力学性能的影响。实验结果显示:添加C、WC和Mo的Ti(C,N)-Co金属陶瓷的组织中均有黑芯—灰壳结构和白芯—灰壳结构,其中以黑芯结构为主。随着碳含量的增加,金属陶瓷的组织中白芯的陶瓷相稍有增多,硬质陶瓷相颗粒粒径有所长大,未溶解的TiC黑芯数量减少;随着碳含量的增加,金属陶瓷的抗弯强度和硬度有相似的趋势,首先增加到达第一个峰值,然后降低,在碳含量为1.5wt%时达到最低,碳含量进一步增加到2.0wt%时达到最大值,随后又降低;随着碳含量的增加,金属陶瓷的断裂韧性不是单调增加。随着WC含量的增加,金属陶瓷的组织细化;金属陶瓷的抗弯强度和硬度增加,断裂韧性随着WC含量的增加而降低,WC含量在10wt%到20wt%之间,断裂韧性变化不明显。Mo的加入,由于富钼壳层的形成和硬质相与金属粘结相润湿性的改善,金属陶瓷的显微组织细化,当Mo的添加量超过10wt%时,硬质相颗粒的平均粒径小于0.5μm:随着Mo含量的增加,金属陶瓷的抗弯强度单调增加,硬度和断裂韧性先增后降,分别在10wt%Mo和5wt%Mo添加时获得最大的硬度和断裂韧性。 碳纳米管具有独特的一维管状结构和优异的力学性能,是纤维/晶须类复合材料强化相的终极形式,因此将碳纳米管引入Ti(C,N)基金属陶瓷基体,采用化学镀工艺在碳纳米管表面镀Co,采用真空烧结制备了不同碳纳米管含量的Ti(C,N)-Co金属陶瓷复合材料。研究了不同含量镀钴和未镀钴的碳纳米管对Ti(C,N)金属陶瓷组织和力学性能的影响。结果显示:添加镀钴碳纳米管和未镀钴碳纳米管的Ti(C,N)-Co金属陶瓷的组织中均具有黑芯-灰壳结构和白芯-灰壳结构,断裂韧性和硬度在碳纳米管含量较低时增加,随着碳纳米管含量增加而降低。添加镀钴碳纳米管的金属陶瓷的断裂韧性在0.5wt%CNTs时达到最大,硬度在1.0wt%CNTs时达到最大,比未加碳纳米管的试样分别提高了112.8%和43.7%。添加未镀钴碳纳米管的金属陶瓷的断裂韧性,在2.5wt%时达到最大,比未加碳纳米管的试样断裂韧性提高了87.7%;其硬度在碳纳米管含量1.0wt%时达到最大,比未加碳纳米管的试样硬度提高了58.6%。可以看出,镀钴碳纳米管和未镀钴碳纳米管的添加都能提高Ti(C,N)-Co金属陶瓷的硬度和断裂韧性。 研究了镀镍碳纳米管和未镀镍的碳纳米管对Ti(C,N)-Ni金属陶瓷组织和力学性能的影响。实验结果显示:添加镀镍碳纳米管和未镀镍碳纳米管的金属陶瓷,随着碳纳米管添加量的增加,XRD衍射图中粘结相Ni的衍射峰逐渐右移:在碳纳米管添加量低于2.5wt%时这种现象尚不明显,但达到2.5wt%以后,衍射峰明显右移,以至Ni的第三个衍射峰几乎与Ti(C,N)的衍射峰重叠。Ti(C,N)基金属陶瓷同时呈现经典的黑芯-灰壳结构以及白芯—灰壳结构。白芯—灰壳结构的体积分数随着碳纳米管含量的增加而增加。显微组织中的孔洞数量也随着碳纳米管含量的增加而增加。添加镀镍碳纳米管的金属陶瓷,随着碳纳米管加入量的增加,Ti(C,N)基金属陶瓷的孔洞数量逐渐增加,致密度逐渐减小,增加和减小的幅度在碳纳米管的加入量为5.0wt%之前都很小,随后急剧增大,这与碳纳米管的团聚现象有关;硬度变化趋势基本与密度一致:断裂韧性先增加后减小,峰值在2.5wt%(15.94MPa·m~(1/2)),比未加碳纳米管试样(10.19 MPa·m~(1/2))增加55.9%,随后急剧下降。添加未镀镍碳纳米管的金属陶瓷,随着碳纳米管含量的增加,金属陶瓷的硬度和断裂韧性先增加后减小。当碳纳米管含量为1.0wt%时,金属陶瓷的硬度和断裂韧性分别为92.0HRA和16.6MPa·m~(1/2),与未加碳纳米管的金属陶瓷相比,分别增加0.2%和62.7%。可以看出,镀镍碳纳米管和未镀镍碳纳米管的添加对Ti(C,N)-Ni金属陶瓷都具有很好的增韧作用。 探讨了碳纳米管的添加对Ti(C,N)基金属陶瓷的增韧机理,主要有拔出与桥联以及残余应力增韧、裂纹弯曲、偏转和分支增韧和界面增韧等几种机制,碳纳米管增强Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的力学性能提高是以上几种韧化机制复合作用的结果。 最后,对全文进行了总结。