钛硼碳氮复合材料的制备及其性能研究

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碳氮化钛(TiCN)金属陶瓷具有高硬度、耐磨损等优良的力学性能,耐腐蚀和导电性能,使其在诸多领域有广泛的应用。为了满足更苛刻的工作环境,提升碳氮化钛的性能,许多学者通过掺杂WC、TiB2和SiC等硬质相来提升碳氮化钛的硬度和强度。在提升碳氮化钛的韧性、抗氧化性和导电性的相关研究还相对较少,本文通过生成晶须状h-TiB和掺B生成新相来烧结钛硼碳氮复合材料,研究复合金属陶瓷的微观结构和性能之间的关系。本文首先用商用TiCN作为骨架材料,添加20 wt.%TiB2,改变结合剂Ti粉的含量10 wt.%、20 wt.%和30 wt.%,球磨混料,干燥,将混合后的粉末样品用放电等离子烧结(SPS)在设定条件下烧结成块,将试样块打磨抛光,进行物相分析和微观结构观察,并进行力学性能和电化学性能测试。实验发现随着Ti添加量的增加TiCN-TiB2复合材料的缺陷和气孔逐渐减少,相对密度随之增强;Ti添加量为30 wt.%时,出现了晶须状的TiB新相,含量为19.40 wt.%,韧性进一步增强;硬度、电阻率、电化学稳定性和抗腐蚀性是随着钛掺入量的增加先增大后减小。由实验结果可知,30 wt.%Ti的添加量实现了TiCN-TiB2复合材料性能的优化。用渗透剂包埋Ti粉,同时在渗透剂中添入一定量的无定型C与B粉,在一定温度下焙烧,制备出TiN、TiCN和TiBCN混合粉体。随后,在混合粉体里加入少量Ti粉进行混料、干燥,用SPS设备烧结成块。将制备的粉体和块状进行物相分析和微观结构观察,并对块状样品进行力学性能和电化学性能等测试。实验结果表明,制备的TiCN和TiBCN陶瓷粉体有部分无定型C与B粉未完全反应,经过烧结后,无定型粉末反应完全;TiCN和TiBCN相对密度略差;TiCN硬度最高,能达到17.9 GPa,TiBCN其次,TiN最低为12.1 Gpa;烧结块都具有导电性;TiBCN因为含有B元素,抗氧化性增强。
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