Cr3C2-WC复合粉末及其金属陶瓷的制备与性能研究

来源 :四川轻化工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong602
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Cr3C2基金属陶瓷具有密度低、硬度高、耐酸碱腐蚀、耐高温氧化等优良性能,在海洋开发、机械密封、航空航天等领域具有广阔的应用前景。但Cr3C2基金属陶瓷的烧结组织往往存在组织不均匀和硬质相晶粒粗大等问题,导致其强度较低,限制了其工业应用。通过添加第二类碳化物可改善Cr3C2基金属陶瓷的微观组织结构,从而提高其力学性能。因此,为有效解决高性能Cr3C2-Ni金属陶瓷开发面临的Cr3C2硬质相异常长大的技术瓶颈问题,本研究提出首先制备Cr3C2-WC复合粉末,再将该复合粉末作为原料制备高性能Cr3C2基金属陶瓷,通过SEM、XRD、EDS等方法表征了Cr3C2-WC复合粉末的相转变规律与粉末特性,重点探讨了烧结温度、保温时间、WC添加方式对Cr3C2基金属陶瓷的形貌结构和力学性能的影响,分析了Cr3C2基金属陶瓷增强机理,最后研究了Cr3C2基金属陶瓷的抗高温氧化性能,主要得出以下结论:Cr3C2-WC复合粉末的制备研究表明:以Cr2O3、WO3和炭黑为原料,采用真空碳热还原法在1400°C反应1 h制备了Cr3C2-WC复合粉末,经球磨破碎获得了粒径约2μm,游离碳和氧含量分别为0.15 wt.%、0.18 wt.%的高品质Cr3C2-WC复合粉末。在Cr3C2-WC复合粉末制备过程中,合成温度是控制Cr2O3和WO3的碳热还原反应进程的关键性因素,Cr2O3和WO3均遵循氧化物逐级还原的相转变规律:即WO3→WO2.9→WO2.72→W(W2C)→WC和Cr2O3→Cr7C3→Cr3C2;当合成温度在900°C以上时,W原子逐渐固溶到Cr3C2中形成(Cr,W)C固溶体。WC在Cr3C2-WC复合粉末中的固溶度约30 wt.%。碳热还原温度越高,复合粉末的颗粒长大趋势越明显。Cr3C2基金属陶瓷的制备研究表明:以自制Cr3C2-10WC复合粉末作为硬质相粉末,Ni粉作为粘结相粉末,在1280°C真空烧结40 min成功制备出了抗弯强度为1250 MPa,维氏硬度为1030 MPa的80(Cr3C2-10WC)-20Ni金属陶瓷。与未添加WC的金属陶瓷相比,其抗弯强度和硬度分别提高了47.06%和10.75%;与直接添加WC的金属陶瓷相比,在保持高硬度的同时,其抗弯强度提高了12.61%。烧结温度过低,无法实现致密化;若烧结温度过高或保温时间过长,Cr3C2硬质相晶粒发生显著长大。与直接添加WC和未添加WC的金属陶瓷相比,WC复合添加能显著抑制Cr3C2基金属陶瓷烧结时Cr3C2硬质相晶粒的聚集长大,Cr3C2晶粒呈长棒状结构,直径约2-4μm。这主要源于WC均匀分散在Cr3C2硬质相原料粉末中,降低了硬质相的溶解析出速率,使硬质相晶界迁移具有取向性,而最终形成的棒状结构晶粒起到了强化作用,使抗弯强度显著提高。Cr3C2基金属陶瓷的抗高温氧化性能研究表明:以Cr3C2-WC复合粉末为原料制备的80(Cr3C2-10WC)-20Ni金属陶瓷在700-900°C氧化8 h,氧化程度较低,氧化膜层致密性好。80(Cr3C2-10WC)-20Ni金属陶瓷在800°C氧化100 h后膜厚约3μm,平均氧化增重速率0.0104 g·m-2·h-1,抗氧化性能达到国防科技工业标准的最优级别(即完全抗氧化级别),高温抗氧化性能优异。这主要源于Cr3C2基金属陶瓷表面在高温氧化时能生成Cr2O3和Ni Cr2O4的致密氧化膜,有效阻止金属陶瓷内层组织被进一步氧化。
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