晶须增韧TiB2基陶瓷刀具材料研究

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TiB2陶瓷具有较高的强度和硬度,抗氧化性强等优点,但是单相的TiB2陶瓷自由扩散系数较低,烧结致密性较差,导致断裂韧性和抗弯强度较低,限制了作为陶瓷刀具材料的广泛应用和发展。在已有的烧结理论和增韧补强理论的指导下,本文采用碳热还原法合成TiC晶须,采用晶须增韧的方法,通过热压烧结工艺制备了 TiB2-TiCw复合陶瓷刀具材料。在传统的碳热法还原制备TiC晶须的理论指导下,针对所制备晶须粉末中游离碳过多的问题,提出用C6H12O6·H2O代替部分摩尔量的C作为TiC晶须制备的原材料,确定了TiC 晶须的最佳摩尔组分配比为 TiO2:C:C6H12O6·H2O:Ni:NaCl=1:2.1:0.15:0.05:0.5。优化了烧结工艺对TiC晶须产量和形貌的影响,确定了 TiC晶须的最佳制备工艺为:加热40min到1500℃,保温60min,二次升温加热5min到1600℃,保温30min。对TiC晶须的生长机制进行了分析研究,实验表明,晶须的生长过程是一种SLLS生长机理,Ni熔滴不断地消耗固体反应物,反应原材料通过NaCl自身的粘附和蒸发作用不断运输到Ni熔滴附近,从而促使TiC晶须的不断生长。分析了成功制备TiC晶须的物相组成以及影响产量和长径比的因素。实验优化了材料的组分配比和烧结工艺对其力学性能和微观结构的影响。实验研究表明,复合陶瓷刀具材料中最佳组分配比:添加相TiC晶须最佳含量为30%,烧结助剂最佳添加量为Ni6.5vol.%和Mo3.5vol.%。确定了制备TiB2-TiCw复合陶瓷刀具材料的最佳烧结方案:加热30min到1310℃,30min到1700℃,保温30min,采用热压烧结方法,其综合力学性能最佳,抗弯强度为860MPa;断裂韧性为7.9MPa·m1/2;维氏硬度为22.56GPa。对裂纹偏转、晶须拔出和晶须桥联的增韧机制进行了分析。总结分析了影响晶须增韧的主要因素:晶须的含量和长径比、晶须的排布状态以及晶须与基体的界面结合力。
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