高韧性Ti(C,N)基金属陶瓷制备及组织结构特征研究

来源 :三峡大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhmj1985
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常规Ti(C,N)基金属陶瓷中硬质相为黑芯-内环-外环结构,其断裂韧性和抗热震性能较差。本文立足于制备新型结构特征Ti(C,N)基金属陶瓷,本研究工作通过设计原料成分,形成白芯-环形相结构。研究结果表明,该工作在提高断裂韧性和抗震性能方面取得了良好的效果。研究的主要工作包括四个方面:1.分压烧结工艺研究;2.Nb C和VC改变显微组织及增韧机制研究;3.(Ti,W)C-Ni金属陶瓷的显微组织和增韧机制研究;4.固溶体(Ti,W)C增韧Ti(C,N)基金属陶瓷。论文首先研究了分压烧结工艺的作用,以期改善Ti(C,N)基金属陶瓷组织,提高其力学性能。结果表明:固相烧结阶段(1150℃-1320℃)分压烧结可促进次要碳化物WC和Mo2C的溶解,提高致密化程度,促进Ti(C,N)晶粒的合并生长。液相烧结阶段(1320℃-1460℃)分压烧结可影响烧结过程中碳(氮)化合物的溶解和析出,进而影响内、外环形相的体积分数,减少烧结过程中粘结相Ni/Co的损失,改善组织中粘结相分布的均匀性;分压烧结可改善烧结体表面金属光泽的均匀程度,提高收缩的均匀性。采用分压烧结烧结体的横向断裂强度(TRS)从2260MPa提高到2305MPa,维氏硬度(HV30)从1286提高到1351,断裂韧性(KIC)从10.1MPa·m1/2提高到10.4MPa·m1/2。其次研究了次要Nb C和VC改变显微组织及增韧机制研究。结果表明,单独添加Nb C和VC均可抑制晶粒长大并促进白芯相形成,共同添加促进作用增强;Nb和V元素均分布于白芯相、内环相、外环相和粘结相中,组分中VC含量对组织中Nb元素在各相中的分布具有重要影响,随着VC含量增加,Nb元素在白芯相、内环相和外环相中含量均呈上升趋势。当VC含量较低时(≤1.0%wt),Nb元素在白芯相和内环相中的含量相当;当VC含量较高时(≥1.5%wt),Nb元素在白芯相中含量显著高于内环相中的含量,由此表明白芯相的形成为高温下Nb C与Ti(C,N)固溶反应生成富Nb的(Ti,W,Mo,Nb,V)(C,N)固溶体。单独添加Nb C和VC,环形相与残留Ti(C,N)之间点阵常数差值均增加,而共同添加时,点阵常数差值显著减小,减小裂纹穿晶扩展和沿晶扩展比例。单独添加Nb C可增强抗热震性能,单独添加VC恶化抗热震性能,而同时添加Nb C和VC可显著增强抗热震性能。研究了(Ti,W)C-Ni金属陶瓷的显微组织和增韧机制。通过研究固溶体((Ti0.76,W0.24)C、(Ti0.69,W0.31)C和(Ti0..58,W0.42)C)粉末颗粒尺寸分布、(Ti,W)C-Ni金属陶瓷显微组织和力学性能特征,确定了固溶体增韧Ti(C,N)基金属陶所用固溶体。结果表明,完全固溶体(Ti,W)C-Ni属陶瓷具有芯-环结构显微组织,随着固溶体中W含量升高组织中芯相体积分数下降,环形相体积分数明显上升,当Ti:W为0.69:0.31时,金属陶瓷组织中出现少量的无芯相,但进一步增加W含量,金属陶瓷组织中析出WC相和石墨相,较之传统的Ti(C,N)基金属陶,(Ti0.69,W0.31)C-Ni金属陶瓷具有优异的断裂韧性(KIC),其数值为16.94MPa·m1/2。最后研究了固溶体(Ti,W)C增韧Ti(C,N)基金属陶瓷。这部涉及两个研究内容:1.(Ti,W)C固溶体对Ti(C,N)基金属陶烧结性的影响;2.(Ti,W)C固溶体添加量对Ti(C,N)基金属陶烧结性的影响。结果表明,不同W含量固溶体对Ti(C,N)基金属陶外环相厚度、白芯相体积分数以及硬质相晶粒尺寸有显著影响,添加(Ti0.69,W0.31)C的金属陶瓷,表现为最优的力学性能,其横向抗弯强度(TRS)高达2403MPa,维氏硬度(HV30)高达1424,断裂韧性高达14.23MPa·m1/2,确定了最优的固溶体为(Ti0.69,W0.31)C。基于(Ti,W)C-Ni金属陶瓷的研究以及固溶体(Ti0.58,W0.42)C、(Ti0.69,W0.31)C和(Ti0.76,W0.24)C对Ti(C,N)基金属陶瓷的烧结性研究,确定了最佳的固溶体(Ti0.69,W0.31)C。采用固溶体(Ti0.69,W0.31)C进一步研究其添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响,以制备性能优异的Ti(C,N)基金属陶瓷,并分析其组织特征。结果表明,随着固溶体(Ti0.69,W0.31)C添加比例上升,硬质相颗粒尺寸细化后数量逐渐减少,外环相厚度逐渐增加,芯相比例上升,粘结相分布逐渐均匀化。固溶体比例为50%金属陶瓷表现为最优异的综合力学性能,并具有最佳的抗热震性能。
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