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本研究采用“铸造-热处理”相结合的工艺,原位反应制备出微纳米结构TaC致密陶瓷材料,应用DSC、XRD、SEM、EDS等检测技术对微纳米结构TaC致密陶瓷材料的反应温度、显微结构及物相组成进行了研究,并结合热力学和动力学分析讨论了原位反应机理;分别采用纳米压痕法和显微压痕法对微纳米结构TaC致密陶瓷材料开裂的临界载荷、硬度、弹性模量和断裂韧性KIC进行了表征,并结合压痕形貌讨论了致密陶瓷表面裂纹扩展机制;利用自动划痕仪讨论了致密陶瓷层与灰铸铁的结合性能,确定临界载荷LC,通过对划痕形貌的观察,分析微纳米结构TaC致密陶瓷材料的弹塑性变形机制和失效机理。实验研究结果表明:(1)通过对原位反应的可行性分析,可知以钽板和灰铸铁为原料,在1430 ℃下浇铸复合,1165 ℃下保温热处理,可制得微纳米结构TaC致密陶瓷材料,致密陶瓷层与基体结合良好,无界面效应且反应界面干净、无污染,体现了原位反应的优势。(2)在高温快冷条件下TaC陶瓷层致密且均匀,完全未分散形成颗粒,晶粒尺寸为微纳米级,约在100-200 nm之间。随着保温时间的延长TaC陶瓷层的厚度增加,保温30 min后TaC陶瓷组织发生扩散而变得不致密,颗粒趋于分散,形成波浪式组织。三元体系Fe-Ta-C原位反应过程的扩散机制主要为C原子的间隙扩散和Fe原子的空位扩散。(3)纳米压痕法测得表面微纳米结构碳TaC致密陶瓷材料开裂的临界载荷在400-450 mN之间,断裂韧性为2.227 MPa·.m1/2;显微压痕法测得材料开裂的临界载荷在500-1000 mN之间,断裂韧性为2.942 MPa·.m1/2。综合断裂韧性和裂纹扩展阻力曲线对微纳米结构TaC致密陶瓷材料的韧性进行了分析、表征,通过观察微纳米结构TaC致密陶瓷材料表面压痕裂纹形貌,其裂纹具有曲折的路径,表现出典型的沿晶断裂特征,且裂纹在扩展过程中发生了裂纹偏转、晶粒桥接行为、晶粒拔出倾向等现象。(4)综合摩擦力法、声发射法及观察划痕微观形貌综合评定了微纳米结构TaC致密陶瓷层与基体的结合性能,确定临界载荷Lc,即TaC致密陶瓷层与基体的结合力约为48.7 N。陶瓷层与灰铸铁体系的主要失效形式为陶瓷层的断裂、陶瓷层的剥落。