天然钛铁矿碳热、铝热原位合成金属基复合陶瓷的研究

【摘要】：TiC／Fe和TiC-Al_2O_3／Fe金属基复合陶瓷作为工具材料和耐磨材料表现出非常优良的性能。但目前常规的粉末冶金方法使得材料的制备成本很高，同时由于制各方法造成的硬质相与粘接相界面的污染，严重影响材料的力学性能，进而制约了这两种金属基复合陶瓷的广泛应用。发展新的制备技术，降低成本，进一步提高金属基复合陶瓷的性能，对推广其应用具有重要意义。 本研究结合我国丰富的钛铁矿资源优势，以钛铁矿为主要原料直接制备铁基金属基复合陶瓷材料。首次以钛铁矿为原料，采用原位合成烧结成功制备了致密TiC／Fe和钢结硬质合金GT35；采用自蔓延原位合成技术成功制备了TiC-Al_2O_3／Fe粉体，并通过热压烧结制成了TiC-Al_2O_3／Fe(Al)致密金属基复合陶瓷；尝试用量子化学计算，定性分析了离子电荷与化学键性对不同结构物相构成的金属基复合陶瓷性能的影响。本研究对我国矿物资源的高技术应用和金属基复合陶瓷工艺理论的发展具有重大现实意义。 本研究应用高能球磨、热压烧结、真空烧结以及机械加工、热处理设备制备了TiC／Fe、TiC-Al_2O_3／Fe(Al)和钢结硬质合金GT35致密的金属基复合陶瓷。应用差热分析(DSC)、失重分析(TG)、X射线衍射分析、扫描电镜等微结构分析和微区能谱分析结合热力学分析、化学键性计算分析等手段和方法，系统研究了钛铁矿碳热、铝热还原原位合成TiC、Al_2O_3、Fe(Al)系列金属基复合陶瓷的热力学机制；物相形成的动力学机制；以及原料因素、制备工艺对自蔓延制备粉体的燃烧过程、粒度控制的影响规律，以及添加剂元素的种类、添加量和烧结工艺对致密金属基复合陶瓷显微结构、力学性能的影响规律，提出相应的控制机制和措施，确定优化的配方和工艺参数。 本研究的主要结果： 1)钛铁矿碳热、铝热还原，原位合成金属基复合陶瓷，在热力学上稳定的物相为TiC、Al_2O_3和Fe。 2)钛铁矿—碳体系原位合成金属基复合陶瓷，其稳定物相TiC、Fe的形成过程经历了Fe_2O_3的脱氧还原得到Fe；FeTiO_3的脱氧还原得到Fe和钛的氧化物，钛的氧化物TiO_2、Ti_3O_5、Ti_2O_3等作为中间产物在还原过程中存在，碳热充分还