新型TiC-MEA金属陶瓷材料制备及性能研究

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TiC基金属陶瓷具有硬度高、强度高、耐磨性好和可机加工性等性能特点,已广泛应用于切削刀具、工业模具、抗震零件和耐磨零件等领域。随着TiC基金属陶瓷切削刀具的快速发展,Co、Ni作为传统粘结剂存在成本较高,污染环境等问题,开发一种低成本、绿色环保的新型粘结剂为当务之急。高熵合金(HEA)由于其独特的成分设计及高强度、高韧性、优异耐磨性和耐腐蚀性等优异性能,成为优秀的金属粘结剂之一。中熵合金(MEA)是一种混乱熵值在1R-1.5R之间的构型熵的合金,表现出与高熵合金类似的性能特点。本论文设计了一种高Fe含量的中熵合金作为TiC基金属陶瓷的粘结剂,采用真空烧结工艺制备了TiC-MEA金属陶瓷,系统探究了冷压压力、烧结温度、粘结剂组成及含量对TiC-MEA金属陶瓷微观组织和力学性能的影响规律和作用机制,且优化了金属陶瓷成分配比和粉末冶金制备和烧结工艺。采用X射线衍射(XRD)分析TiC-MEA金属陶瓷的物相组成,通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)探究石墨作为添加元素在中熵合金粘结剂中的作用机理及中熵合金粘结剂在烧结过程中的反应机理。当烧结温度为1470℃时,随着冷压压力从64MPa增加到168MPa,TiC-MEA金属陶瓷(70%TiC-29%Fe50(Co Cr Ni Mn)50-1%C)的致密度从99.05%增加到99.32%;洛氏硬度(HRC)从63.1增加到69.1;弯曲强度从440.3MPa增加到1223.3MPa。当冷压压力为128MPa时,随着烧结温度从1450℃增加到1500℃,TiC-MEA金属陶瓷(70%TiC-29%Fe50(Co Cr Ni Mn)50-1%C)的致密度、洛氏硬度和弯曲强度先增大后降低,当烧结温度为1480℃时,TiC-MEA金属陶瓷的致密度、洛氏硬度(HRC)和弯曲强度达到最大,分别为99.15%、66.9和1031.4MPa。随着中熵合金粘结剂中Fe含量从50at.%增加到65at.%,TiC-MEA金属陶瓷的致密度呈降低趋势,从99.46%降低至99.39%;洛氏硬度(HRC)呈增大趋势,从69.4增加至72.2;弯曲强度呈降低趋势,从1235.3MPa减少到927.9MPa。随着中熵合金粘结剂含量从20%增加40%,TiC-MEA金属陶瓷的致密度从99.54%降至99.04%;洛氏硬度(HRC)从71.7降至63.9;弯曲强度先增大后降低,当中熵合金粘结剂含量为30%时,弯曲强度达到最大为1235.3MPa。随着中熵合金粘结剂中石墨含量从0.3wt.%增加至1.5wt.%,TiC-MEA金属陶瓷的致密度先增大后减小,当石墨添加量为1.0 wt.%时,致密度达到最大,为99.46%;TiC-MEA金属陶瓷的洛氏硬度(HRC)呈增加趋势,从67.3增加到69.7;TiC-MEA金属陶瓷的弯曲强度先增加后降低,当石墨添加量为1.0 wt.%时,弯曲强度达到最大,为1235.3 MPa。结果表明:最优的冷压压力和烧结温度分别为168MPa和1480℃;最优的TiC-MEA中熵金属陶瓷成分为70%TiC-29%Fe50(Co Cr Ni Mn)50-1%C,其综合性能最好,洛氏硬度(HRC)达到69.4,弯曲强度达到1235.3MPa。TiC-MEA金属陶瓷微观组织由TiC相、中熵合金粘结剂相及高铬形成的L12相,烧结结束后,MEA液相中Cr元素容易产生聚集,并平行于TiC(111)晶面生长,形成有序的L12固溶体。中熵合金粘结剂相与TiC颗粒之间结合良好,界面结合牢固,有利于强度的提高。
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