基于原位碳热还原制备Ti(C,N)基金属陶瓷的合金化研究

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本文利用原位碳热还原制备了Ti(C,N)基金属陶瓷,通过XRD、SEM、TEM、EDS等测试手段系统研究了化学成分对金属陶瓷的显微组织、室温力学性能、高温性能的影响规律,揭示了其内在联系。首先研究了Mo、Ti N、WC添加量对金属陶瓷的显微组织及力学性能的影响。结果表明:原位碳热还原制备的Ti(C,N)基金属陶瓷组织主要由“白芯/灰壳”颗粒、“黑芯/灰壳”颗粒组成。“白芯/灰壳”颗粒的芯部是富Mo和W的Ti C颗粒,“黑芯/灰壳”颗粒的芯部是未溶解的Ti N颗粒。随着Mo和WC添加量增加,组织中“白芯/灰壳”颗粒体积分数明显增加,硬质相颗粒细化。随着Ti N添加量增加,组织中“黑芯/灰壳”颗粒体积分数增加,并且硬质相颗粒的形状从近圆形逐渐转变为有棱角的多边形。当Mo添加量为14wt.%,Ti N添加量为11wt.%,WC添加量为12wt.%时,金属陶瓷具有最佳的综合力学性能:抗弯强度为2386MPa,断裂韧性为13.5MPa·m1/2,硬度为90.5HRA。此外,“黑芯/灰壳”颗粒与“白芯/灰壳”颗粒的环形相/粘结相界面处均形成了半共格关系,这种半共格关系可以提高界面结合强度,从而改善材料的综合力学性能。研究了Nb2O5和Ta2O5对金属陶瓷显微组织、室温力学性能的影响。结果表明:加入Nb2O5和Ta2O5可以细化晶粒,增加组织中“白芯/灰壳”颗粒的体积分数,并且使得“白芯/灰壳”颗粒环形相包覆得更加完整。随着Nb2O5和Ta2O5添加量的增加,材料硬度和抗弯强度均是先增大后减小,断裂韧性则是不断降低,当Nb2O5和Ta2O5添加量分别为2.80wt.%和1.70wt.%时,金属陶瓷的综合力学能最佳:抗弯强度为2487MPa,断裂韧性为12.6MPa·m1/2,硬度为90.7HRA。最后研究了Nb2O5、Ta2O5添加量和Co/(Co+Ni)对金属陶瓷高温性能的影响。结果表明:随着Nb2O5、Ta2O5添加量和Co/(Co+Ni)增大,材料的临界热震温度和高温抗弯强度均是先增大后减小。适当添加Nb2O5和Ta2O5可以提高抗弯强度、抗氧化性,并且降低材料的杨氏模量、热膨胀系数,有利于抗热震性能以及高温强度的提高。当Nb2O5和Ta2O5添加量分别为2.80wt.%和1.70wt.%时,材料具有最佳的高温性能:临界热震温差为370℃,在800℃下的抗弯强度为1561MPa。适当添加Co能提高材料抗弯强度以及抗氧化性,有利于抗热震性能以及高温强度的提高。当Co/(Co+Ni)为0.75时材料具有最佳的高温性能:临界热震温差为410℃,在800℃下的抗弯强度为1724MPa。
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