NbC-CoCrFeNiMn高熵合金金属陶瓷的制备及其性能研究

来源 :大连海事大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:feixingyuan1977
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金属陶瓷通常由韧性金属粘合剂和脆性碳化物组成,由于具有高硬度、高耐磨性和良好的韧性,已被广泛用于机械加工、航天航空、汽车工业等领域,尤其是WC-Co金属陶瓷被广泛用于制备切削刀具。然而,由于WC-Co金属陶瓷存在密度较高(15.63g/cm~3),碳化钨-钴金属粉尘有毒,且W的储量较低等缺点。因此,需要寻找其他金属陶瓷替代传统WC-Co金属陶瓷。碳化铌(NbC)由于具有高化学稳定性、较高的硬度、低摩擦系数、相对于WC较低的密度(7.63 g/cm~3)、良好的生物相容性及高储量等优点,受到人们的青睐。此外,传统的碳化物金属陶瓷通常由纯金属Co、Ni等进行粘合。纯金属一般强度较低,影响金属陶瓷的力学性能。为了进一步改善金属陶瓷的性能,本文采用高熵合金作为金属粘合剂制备NbC-HEAs金属陶瓷。高熵合金具有优异的抗氧化性、高硬度和高断裂韧性的特点,特别是在液相烧结过程中能有效抑制碳化物颗粒的粗化。因此,采用高熵合金作为金属粘合剂,有望制备出性能优异的NbC基金属陶瓷材料。本文选择具有优异力学性能并被广泛研究的CoCrFeNiMn高熵合金作为金属粘合剂,采用液相烧结的方法获得了NbC-CoCrFeNiMn高熵合金金属陶瓷。研究了烧结温度及第二相碳化物的添加对NbC-CoCrFeNiMn高熵合金金属陶瓷的微观组织、力学性能及摩擦磨损性能的影响。实验结果表明:采用液相烧结法获得的NbC-HEAs金属陶瓷由NbC、面心立方CoCrFeNiMn相和富铬M23C6相组成。NbC颗粒在CoCrFeNiMnHEAs中的粗化活化能为696.6 k J/mol,远高于其它传统粘合相中的活化能,导致NbC颗粒在CoCrFeNiMn金属粘合剂中的粗化更加困难。由于颗粒尺寸的长大,NbC-HEAs金属陶瓷的硬度和抗弯强度均随着烧结温度的升高而逐渐降低。研究表明VC和Ti C的添加对液相烧结过程中NbC颗粒在高熵合金粘合相中的长大有明显的抑制作用,且随着第二相碳化物含量的增加,抑制作用也随之增加。在低温烧结时,添加10%Ti C后,NbC-CoCrFeNiMn高熵合金金属陶瓷中NbC颗粒尺寸可以达到2.3μm,远小于未添加的金属陶瓷中NbC的颗粒尺寸(4.8μm)。经过液相烧结后,添加的VC和Ti C主要固溶到NbC颗粒中,形成(Nb,V)C或(Nb,Ti)C碳化物。由于NbC颗粒尺寸的减小,第二相碳化物的添加也提高了金属陶瓷的硬度,其中Ti C的添加还可以显著改善NbC-CoCrFeNiMn高熵合金金属陶瓷的耐磨性。
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