论文部分内容阅读
由于TiC具有高强度、高硬度、抗热震性能优异、价格低廉、资源丰富等优点,是现在公认的最有希望可替代WC的材料。而以TiC为硬质相,Ni、Co等金属为粘结相的材料通常称为金属陶瓷。该类材料的典型芯-环相结构,使得TiC基金属陶瓷断裂韧性远低于WC-Co金属陶瓷,也成为了限制TiC基金属陶瓷广泛应用的最大障碍。改善TiC基金属陶瓷韧性的做法,通常是将通过预固溶处理直接制备的（Ti,M）C取代TiC作为硬质相（其中M=W,Mo,V,Nb等）,以获得具有弱芯-环相结构乃至无芯相结构的材料,最大程度地减少芯相与环相之间相界面数量,弱化相界面处成分梯度过大对金属陶瓷性能产生的不利影响,达到材料强韧化的目的。目前制备复式固溶体型碳化物的手段有碳热还原法、预合金化法等多种方法,最常用的是碳热还原法。但使用该法制备复式碳化物容易产生过量游离碳,且工序复杂、耗时长、能耗高,因此,寻找一种工艺简单、流程短且纯度高的复式碳化制备方法一直是复合材料领域研究的重点。本文在氩气保护条件下利用电弧熔炼炉制备了（Ti,M）C（其中M=Mo、V、W）三类基础碳化物,研究了不同含量的掺杂元素M对TiC晶体结构及力学性能的影响及其各自的反应机理,同时利用Materials Studio（MS）软件,以TiC晶体结构为基础计算得到了（Ti,M）C晶体结构及相关力学性能参数,并试图从电子层面解释了不同含量的掺杂元素对材料性能影响的本质。研究结果表明掺杂元素M的种类及掺杂量将对（Ti,M）C的晶胞参数、密度、力学性能等产生影响,但三类碳化物的晶体结构都与TiC相似,均为Na Cl型,且断裂机制及制备过程的反应机理类同,但不同的掺杂元素,其作用程度不同。具体研究结果如下:（1）铸态(Ti1-xMox)C的晶胞参数a与Mo掺杂含量之间的关系为:α=4.329-0.0157xMo/Mo+Ti（x为Mo在金属原子中的比例）,即晶胞参数随Mo含量的增多而线性减小。（Ti,Mo）C的密度随x增多而线性增大,即从5.21g/cm3（x=0.1）增大至6.89 g/cm3（x=0.5）;其抗弯强度及硬度随Mo含量的增多先增大后减小,其中Ti0.6Mo0.4C的硬度及抗弯强度具有最大值,即显微维氏硬度（Hv）为22.5Gpa、抗弯强度为576.8Mpa。热压烧结后的(Ti1-xMox)C系列碳化物,都表现出沿晶断裂为主同时含有少量穿晶断裂。以名义成分Ti0.5Mo0.5C为对象研究了Ti-Mo-C体系的反应进程,球磨不会引起新相产生,随后的电弧熔炼反应过程由三个部分构成,在高温条件下体系中首先生成Ti2C、Mo2C、TiC和MoC的混合物,随着反应时间延长,中间产物消失,最终生成TiMoC2。该反应过程速度快,一般在2030s内完成。（2）经计算(Ti8-xMox)C8（x=14）系列碳化物的形成能均小于0,表明其在室温下可稳定存在;(Ti8-xMox)C8晶胞参数的理论计算值略大于实验值,误差小于2%,两者符合度高。Ti5Mo3C8系的体积模量和剪切模量分别为287.05Gpa和220.39Gpa,通过经验公式估算的硬度值为33.28Gpa,其硬度最高。Mo原子掺杂后改变了Ti-Mo-C系列碳化物内部原子之间的成键作用,从而造成硬度变化。（3）铸态(Ti1-xVx)C（x=0.10.5）的晶胞参数a与V掺杂量x呈线性减小关系,具体表现为α=4.3293-0.0251xV/V+Ti。(Ti1-xVx)C的密度随V掺杂量的增多而线性增大,由4.93g/cm3（x=0.1）增大至5.32 g/cm3（x=0.5）。(Ti1-xVx)C的硬度与抗弯强度随V掺杂量的增多先减小后增大,在x=0.3时出现最小值,其硬度及抗弯强度分别为15.4Gpa和387.6Mpa。Ti-V-C系列碳化物的力学性能劣于Ti-Mo-C系列。(Ti1-xVx)C碳化物的断口颗粒尺寸随x增大而增大,同样包含沿晶断裂及穿晶断裂两种断裂形式。（4）经计算,(Ti8-xVx)C8（x=14）系列碳化物的形成能均小于0,其晶胞参数计算值与实验值非常接近,误差小于0.5%;(Ti8-xVx)C8系列碳化物硬度的理论值与实验值变化趋势相同,都表现为随V掺杂含量的增多先减小后增大,其中Ti5V3C8具有最低体模量、剪切模量及估算硬度值,分别为270.57Gpa、181.25Gpa及23.21Gpa。V原子的掺杂同样改变了Ti-V-C系列碳化物中原子的成键作用,进而引起了其硬度的变化。（5）铸态(Ti1-xWx)C系列碳化物的晶胞参数a随W掺杂含量的增多而线性减小,其拟合关系为α=4.3327-0.0462xW/W+Tia;(Ti1-xWx)C的密度随V掺杂量的增多而线性增大,由6.15g/cm3（x=0.1）增大至10.30 g/cm3（x=0.5）;(Ti1-xWx)C的硬度与抗弯强度随W掺杂量的增多而增大,其中Ti0.5W0.5C的硬度及抗弯强度最大,分别为26.2Gpa和589.5Mpa。(Ti1-xWx)C的的断口包括沿晶断裂及穿晶断裂两种形式,且断口颗粒平均尺寸随W掺杂量的增多而减小,起到晶粒细化的作用。（6）(Ti8-xWx)C8（x=14）系列碳化物的形成能均小于0,其晶胞参数随W掺杂含量的增多而减小,基本呈线性关系,且理论计算值与实验值非常接近,两者的误差小于1%;(Ti8-xWx)C8系列碳化物的体模量及剪切模量都随W掺杂量的增多而增大,Ti4W4C8的体模量和剪切模量分别为317.19Gpa和241.69Gpa,其估算硬度值为36.49Gpa,该系列碳化物的硬度理论值与实验值的变化趋势相同,即随W掺杂含量的增多而增大。(Ti8-xWx)C8的G/B值均大于0.57,都表现为脆性;W掺杂后亦改变了Ti-W-C系列碳化物原子之间的成键作用。