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Ti(C,N)基金属陶瓷的界面价电子结构与性能研究

于涛  
【摘要】: 本文首先应用EET理论系统研究了添加不同碳化物时金属陶瓷陶瓷相的价电子结构以及(Ti,Me)(C,N)/Ni(Co、α-Fe、Fe3Al、FeAl、NiAl)金属陶瓷体系的界面价电子结构,分析了界面价电子结构参数与金属陶瓷力学性能之间的关系。在计算的基础上运用液相烧结技术制备了纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷材料,分析了Ti(C,N)基金属陶瓷的组织、力学性能及热冲击性能。主要内容如下: 首先,介绍了Ti(C,N)基金属陶瓷的发展、制备方法以及成分对组织和力学性能的影响。指出了EET理论的基本原理、研究进展以及应用情况。 其次,运用EET理论和BLD法研究了添加不同碳化物(Mo2C、WC、NbC、TaC、Cr3C2、VC)对金属陶瓷的陶瓷相价电子结构的影响,分析了价电子结构参数(nA)与金属陶瓷材料润湿性(0)以及力学性能(硬度、强韧性)之间的关系。在此基础上计算了(Ti,Me)(C,N)/Ni(Co、α-Fe、Fe3Al、FeAl、NiAl)金属陶瓷体系的界面价电子结构(最强键共价电子数(nA),晶面电子密度(ρ)和界面价电子密度差(Δρ))。研究表明:(1)与WC、NbC、TaC、Cr3C2、VC等碳化物相比,(Ti,Mo)(C,N)/Ni体系界面价电子密度连续性较好;实验证明,Mo2C对Ni/Ti(C,N)金属/陶瓷材料的润湿性的改善作用最为明显。当碳化物添加量为10wt.%时,不同碳化物对润湿性改善程度依次为:Mo2CTaCWCVCNbC。(2)(Ti,Me)(C,N)(110)/Ni(Co)(110)体系的界面价电子密度差(Δρ)小于10%,即界面价电子连续性好,界面结构稳定;总体来说,金属及金属间化合物对异相界面价电子密度差的影响顺序为(由强到弱):Ni(Co)FeAlα-FeFe3AlNiAl。(3)综合研究了价电子结构、界面价电子结构与材料强韧性之间的关系,指出采取原位复合制备工艺控制界面结合时,应该尽量在复合材料中存在更多的(110)Ni/(110)C、(110)Co/(110)C等界面,这样使Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料具有更优异的综合力学性能。 接下来在基于界面价电子结构计算的基础上,制备了纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷材料样品,研究了其组织、力学性能及抗热冲击性能。结果表明:(1)XRD与SEM分析表明,(Ti,Mo,W)(C,N)-Ni-Co金属陶瓷组织仍为两相结构(陶瓷相+金属相),其中较粗大的陶瓷相颗粒呈明显的芯/壳(core/rim)结构。(2)随着金属相含量的增加(Ti,Mo,W)(C,N)-Ni-Co金属陶瓷的组织更加均匀;而随着Mo含量的增加,金属陶瓷的组织存在着变细的趋势。研究表明,(Ti,Mo,W)(C,N)-Ni-Co金属陶瓷具有优良的力学性能,其硬度值(HRA)达到91.5以上,抗弯强度达到1350MPa以上。(3)就材料的硬度而言,实验结果与价电子结构计算结果是相符的;(4)高温热冲击实验表明:和普通的金属陶瓷相比,纳米改性金属陶瓷的抗热冲击性能较好;随着热冲击循环次数的增加,试样表面的孔洞数量和尺寸都有明显的增加;裂纹在扩展过程中存在弯曲、偏转及桥接现象。


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