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Ti(C,N)基金属陶瓷的强韧化工艺及性能研究

佘晓林  
【摘要】:Ti(C,N)基金属陶瓷凭借其优良的高温力学性能,是一类重要的工程结构陶瓷材料,具有广泛的发展空间,能够应用于宇航工业、机械加工、石油化工、地质勘探等领域。但由于具有传统陶瓷的共性缺点,强韧性不足,因而,这类材料的推广应用受到了限制。因此,开展Ti(C,N)基金属陶瓷材料强韧化性能的研究十分必要。本文采用真空烧结技术成功制备了Ti(C,N)基金属陶瓷材料,系统研究了材料的原始成分配方、烧结工艺、组织结构和力学性能之间的关系。 研究了烧结工艺和金属粘结相Ni/Co配比对Ti(C,N)基金属陶瓷组织结构和力学性能的影响。结果表明:金属粘结相成分为10%Ni5%Co的试样,经1220℃×2h保温平台和1450℃×50min烧结后,具有典型的“芯-环”结构且分布均匀、组织细小致密、孔隙率低,密度和相对密度分别为5.91g/cm3和95.6%。相比于无保温平台的烧结体,显微硬度、抗弯强度和断裂韧性分别提高了19.1%、153.9%和18.4%。裂纹扩展方式主要是沿晶断裂,部分为穿晶断裂。断口表面呈现大量颗粒从基体中拔出时所留下的窝痕,细小均匀,并伴有金属粘结相塑性变形后留下的撕裂棱,撕裂棱发达,层次感强。 研究了烧结工艺和稀土Y2O3添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织结构和力学性能的影响。结果表明:经1500℃烧结50min后,组织细小、均匀、致密,密度和相对密度分别为5.79g/cm3和94.4%。裂纹扩展方式主要是沿晶和穿晶形成的混合型断裂,断裂面呈现大量细小的韧窝痕,未拔出的硬质相颗粒依附于发达的树枝晶基体周围,组织致密,相界面结合良好。当Y2O3添加量为0.8wt%时,材料的综合力学性能达到最好,而Y2O3的过多添加与富集,会导致组织中脆性中间相的生成,对材料的强韧化产生不利影响。 研究了烧结工艺和碳纤维添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织结构和力学性能的影响。结果表明:经1500℃烧结50min的试样,组织更为致密、细小、均匀,相界面结合良好,环形相厚度适中,呈现出混合型的断口形貌。材料的力学性能随着烧结温度的升高而提高,碳纤维的加入降低了组织的密度,但未改变Ti(C,N)基金属陶瓷的组织结构特征,裂纹扩展方式由穿晶断裂向沿晶断裂发生转变,扩展路径逐步由平直转向曲折,断口呈现陡峭的塑性断裂特征。增韧机制为:纤维拔出、纤维断裂、纤维桥联以及金属相桥联。当碳纤维添加量为4wt%时,综合力学性能达到最好,强度不降低的情况下,断裂韧性提高了22.1%。


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