C空位扩散型高熵陶瓷硬质材料的烧结制备及力学性能研究

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本文以TiC0.5空位原料为主体,首先研究了扩散驱动温度对TiC0.5-VC、TiC0.5-NbC两组扩散偶扩散行为的影响及不同浓度处金属原子在TiC0.5中的扩散行为。然后在其扩散理论基础上,通过SPS烧结技术,进一步研究了烧结温度对不同组元高熵陶瓷硬质材料物相、晶粒显微形貌、综合力学性能及扩散程度的影响。最后使用高温高压合成技术改善不同组元高熵陶瓷的综合力学性能,同时研究保温时间对其性能的影响。实验采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、万能力学试验机、显微硬度计、密度天平等测试设备对在不同实验条件下合成的烧结体的物相、晶粒显微形貌、扩散行为和综合力学性能等进行表征分析。实验结果表明:1)TiC0.5-VC、TiC0.5-NbC两组扩散偶中,V原子表现出对温度更为敏感型扩散行为,其扩散系数在1700℃时急剧增大,为10-14数量级,Nb原子在TiC0.5中扩散系数随温度的升高逐渐增大,但增大幅度相对较小,两个温度梯度导致的扩散系数变化均在同一数量级内;V、Nb原子在TiC0.5中的扩散系数随浓度的增加均逐渐减小,但减小幅度非常小;V原子在TiC0.5中的频率因子和扩散激活能随V原子浓度的升高变化一致,均逐渐降低,而Nb原子在TiC0.5中的频率因子和扩散激活能随Nb原子浓度的升高呈相反的变化趋势,其频率因子逐渐降低,而扩散激活能逐渐升高。2)使用SPS烧结技术,高熵陶瓷在1600℃烧结温度下均能获得单一的高熵陶瓷物相,而使用TiC替代TiC0.5的对照实验在相同条件下均没有获得想要的单一物相,其中三组元高熵陶瓷在1500℃烧结条件下也获得了单一的物相,但力学性能和扩散程度均较差;五组元高熵陶瓷由于引入了原子半径更大的金属原子Ta,出现随温度升高物相衍射峰向高角度偏移的现象,且其在更高的烧结温度下才获得较好的综合力学性能;不同组元高熵陶瓷显微硬度、和断裂韧性均在较高温度下达到21.3 GPa和7.12 MPa·m1/2以上,而抗弯强度相对较低。3)在高压条件下,高熵陶瓷烧结体更为致密,气孔极少,其显微硬度、抗弯强度和断裂韧性均呈现出不同程度的提高,其中抗弯强度提高更大。除三组元高熵陶瓷外,其抗弯强度均随保温时间的增加逐渐增加,而三组元高熵陶瓷则随保温时间的延长先升后降,在保温20 min时达到最大,其中五组元高熵陶瓷抗弯强度最大,为438 MPa。三种高熵陶瓷在高压条件下气孔率明显较SPS烧结更低,最低分别为0.10%、0.128%和0.122%。
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