多元金属对Al2O3-Ti(C,N)组织形成及力学性能的影响

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随着工业生产技术的提高,传统模具材料已渐渐无法满足需求。Al2O3-Ti(C,N)基金属陶瓷因其优良的力学性能在模具材料领域具有广泛的应用前景,但作为陶瓷材料,其强韧性有待进一步提高。本文采用真空热压烧结法制备Al2O3-Ti(C,N)基金属陶瓷材料,分别研究了金属(Ta,V,Nb)和金属(Ni,Mo)的添加量以及热压工艺参数对Al2O3-Ti(C,N)基金属陶瓷力学性能和显微结构的影响,并对其抗热震性能和高温抗氧化性能进行实验。得到的结论主要如下:(1)在Al2O3-Ti(C,N)材料基体中添加金属(Ta,V,Nb)和金属(Ni,Mo)可以有效提高材料的力学性能。适量的金属添加物能促进材料基体的致密化程度,细化晶粒尺寸,使得材料组织分布均匀,从而增强材料的强韧性。在烧结过程中,液相金属(Ni,Mo)的存在可以有效的降低烧结温度和保温时间。(2)烧结温度和保温时间是陶瓷材料烧结工艺中重要的工艺参数。过低的烧结温度和保温时间,使得材料的烧结过程不充分,基体内部气孔较多,材料的致密化程度不高,力学性能不好;而烧结温度和保温时间过高,会诱使基体中晶粒的异常长大,大晶粒的存在同样会降低材料的力学性能。(3)当金属(Ta,V,Nb)的含量为7.5%,烧结温度为1700℃,保温时间为30min时,Al2O3-Ti(C,N)-(Ta,V,Nb)金属陶瓷材料具备最佳的力学性能,其抗弯强度、硬度和断裂韧性分别为717MPa、19.85GPa和6.24MPa·m1/2,相对密度为98.87%;当金属(Ni,Mo)的含量为7.5%,烧结温度为1650℃,保温时间为25min时,Al2O3-Ti(C,N)-(Ni,Mo)金属陶瓷材料的力学性能最佳,其抗弯强度、硬度和断裂韧性分别为834MPa、19.22GPa和7.02MPa·m1/2,相对密度为98.96%。(4)在Al2O3-Ti(C,N)基体中添加金属(Ta,V,Nb)和金属(Ni,Mo)不同程度的提高了材料的固有强度,因此Al2O3-Ti(C,N)-(Ta,V,Nb)和Al2O3-Ti(C,N)-(Ni,Mo)金属陶瓷材料抗热震性能也好于Al2O3-Ti(C,N)复合陶瓷材料。热震温差越大,材料中的裂纹数量越多,材料的残余抗弯强度就越低。Al2O3-Ti(C,N)-(Ta,V,Nb)和Al2O3-Ti(C,N)-(Ni,Mo)金属陶瓷材料的热震温差分别为260℃和290℃。(5)Al2O3-Ti(C,N)-(Ta,V,Nb)和Al2O3-Ti(C,N)-(Ni,Mo)金属陶瓷材料具备较好的高温抗氧化性,在800℃时,材料只发生轻微的氧化,材料的残余抗弯强度较高;在1000℃时,氧化反应程度较大,氧化产物Ti O2在材料表面形成致密的氧化膜,氧化膜的存在会严重降低材料的抗弯强度,但也会阻碍氧原子进入基体内部,从而减缓了进一步的氧化反应。在1000℃氧化20h后,Al2O3-Ti(C,N)-(Ta,V,Nb)和Al2O3-Ti(C,N)-(Ni,Mo)金属陶瓷材料的残余抗弯强度分别为352MPa和363MPa。
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