论文部分内容阅读
TiC和ZrC具有许多优良的物理和化学性能，因而在很多领域获得广泛的应用。本论文利用放电等离子(SPS)和高压烧结(HPS)方法烧结了TiC、ZrC和TixZr1-xC纳米晶/超细晶块体，实现了低温致密化烧结，并具有良好的力学性能。利用球磨的方法，以微米金属Ti/Zr粉和有机溶剂为原料制备了非化学计量比的TiCx、ZrCx纳米粉末。研究了球磨机的转速、球磨时间、不同的有机溶剂及有机溶剂的量对制备碳化物纳米粉体的影响。利用放电等离子烧结(SPS)方式，在1300℃烧结了TiCx超细晶块体，平均晶粒尺寸在250~300纳米之间，具有良好的致密度。通过控制制备纳米粉的球磨时间，烧结粉体后可以得到不同碳含量的TiCx。烧结TiCx中存在碳空位有序，为立方结构的Ti2C。非化学计量比的TiCx块体硬度随着碳含量的增加而增加，维氏硬度最高为17.9GPa，抗压缩强度也随着碳含量的增加而增加，最高抗压强度为3.2GPa。在1200℃烧结了ZrC块体，平均晶粒尺寸在100nm左右，维氏硬度达到17GPa。TiCx纳米粉体首先在真空环境800℃除气30min，然后在3GPa压力下进行变温烧结。在1100℃的温度下烧结的样品平均晶粒尺寸约为100nm，维氏硬度达到26GPa，随着温度的升高，晶粒尺寸变大，样品的硬度降低。与SPS烧结方式相比，高压烧结方式显著提高TiC0.85的硬度，并降低了烧结温度。同样对未经真空热处理的ZrC纳米粉体进行了同样工艺的高压烧结，断口形貌分析发现，烧结体存在较多的空洞，维氏硬度为16GPa。利用SPS对TiCx、ZrCx混合纳米粉体进行烧结，得到了完全固溶的TixZr1-xC块体，并画出了固溶相图。烧结过程中先是生成富含ZrC的TixZr1-xC固溶相和富含TiC的TixZr1-xC固溶相，进一步提高烧结温度形成了单相的TixZr1-xC固溶相。完全固溶的TixZr1-xC块体比未完全固溶的块体硬度高，而弹性模量低。烧结过程中，由于TiC和ZrC的相互制约晶粒生长，在1800℃烧结得到了平均晶粒尺寸在100nm~400nm之间的TixZr1-xC块体，具有较高的硬度和断裂韧性，其维氏硬度最高为24GPa，断裂韧性最高为6.9MPa m1/2。研究了SPS烧结的TiCx、ZrCx及TixZr1-xC样品在空气中的氧化过程。发现碳空位有序的TiCx及ZrCx的起始氧化温度比化学计量比的TiC和ZrC低。含碳空位有序的TiC0.57在氧化过程中表现出明显的三个阶段，经过分析，我们认为锐钛矿结构的TiO2和TiC的失配性较差导致氧化速度的不同。空位有序的ZrC0.6在氧化过程中首先生成ZrC0.6O0.4，然后随着温度的升高进一步氧化得到四方相的ZrO2，还发现存在正交结构的ZrO2。与单相TiC和ZrC相比，相互固溶TixZr1-xC的抗氧化能力明显提高。