W、Nb掺杂对Mo2NiB2基金属陶瓷组织和性能的影响

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Mo2NiB2基金属陶瓷材料具有优异的综合力学性能与使用性能,如高硬度、高强度、优异的耐磨耐腐蚀性能等,主要应用在工业模具、切削刀具等领域。但是,Mo2NiB2基金属陶瓷的硬度等力学性能与传统硬质合金相比还有一定的差距。因此,需要进一步改进其烧结制备工艺,不断提高其综合力学性能。此外,Mo2NiB2基金属陶瓷可作为涂层材料应用在船舶领域,故本文系统地研究了其耐Cl-的腐蚀性。本文以纯的Mo粉、Ni粉和B粉为原料,采用放电等离子热压烧结工艺制备了掺杂不同含量W和Nb掺杂的Mo2NiB2基金属陶瓷。并对金属陶瓷的物相组成与微观组织结构进行了观察和分析,测定了其抗弯强度、断裂韧性、硬度和压缩强度等力学性能以及耐腐蚀性能。结果表明,掺杂W和Nb后,Mo2NiB2基金属陶瓷的晶体结构没有发生改变,其晶体结构仍然隶属于斜方晶系。掺杂W和Nb后,W和Nb固溶进入到Mo2NiB2硬质相中,进而形成了(Mo,W)2NiB2固溶体相和(Mo,Nb)2NiB2固溶体相。掺杂W后,Mo2NiB2基金属陶瓷材料的抗弯强度值与断裂韧性值表现为典型的负相关关系。抗弯强度值呈先增大后减小趋势,当掺杂0.1 mol W时,材料的抗弯强度值最大,为823.36 MPa。当W的掺杂量为0.15 mol时,材料的硬度与压缩强度分别达到最大值1026.03 HV1和1928.24 MPa。原因是W固溶置换了部分Mo原子,进而使材料的性能得到了改善。此外,掺杂W后能显著改善材料的耐腐蚀性能,归因于在其腐蚀表面上形成了一层起保护作用的钝化膜。其中,钝化膜的内部致密层对材料的耐腐蚀性能起重要作用,能够有效阻止材料的电化学腐蚀过程,提高其耐腐蚀性能。发现当掺杂0.15 mol W时,材料具有最优异的耐腐蚀性能。掺杂Nb后,不能显著提高材料的断裂韧性,材料的断口形貌表现为典型的脆性断裂形貌。当Nb的掺杂量为0.05 mol时,材料的抗弯强度值最大,为854.93 MPa。材料的硬度值与压缩强度值呈现出相同的变化趋势,即先增大后减小。当Nb的掺杂量为0.15mol时,材料的硬度值与压缩强度值同时达到最大值,分别为1203.4 HV1和2769.43 MPa。伴随Nb的掺杂,材料的耐腐蚀性能显著提高,原因是在其腐蚀表面上形成了一层钝化膜,阻止了对内部材料的腐蚀过程,从而提高了材料的耐腐蚀性能。实验结果表明,当Nb的掺杂量为0.15 mol时,Mo2NiB2基金属陶瓷材料的耐腐蚀性能最佳。
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