C空位促进MC热扩散行为及在金刚石烧结体中应用研究

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本文针对工业金刚石烧结体(PCD或PDC)制造过程中残留物缺陷引起的诸如金属单质膨胀系数过大、软点、耐氧化性差等问题,试图寻求具有低烧结温度的可用于PCD(或PDC)的基于全陶瓷的结合剂。TiC等过渡金属的碳化物具有优良的物理化学性质和力学性能,被广泛应用于工程技术领域,很有希望成为PCD(或PDC)备选的结合剂材料。但其极高的烧结温度、化学稳定性及脆性又限制了它的应用。如何克服TiC的不利因素就成为问题的关键。针对以上问题,本文通过引入C空位的方式降低烧结温度,并通过与其它强过渡金属碳化物、氮化物和硼化物复合的方式改善其脆性特征。本文通过第一性原理模拟计算了非化学计量比TiCx(0≤x≤1)的结构和性质,采用机械合金化法(MA)合成了具有面心立方结构,高浓度C空位缺陷的非化学计量比TiCx(0.3≤x≤0.5)纳米级粉体。研究了TiCx与TaC、AlN界面区域由C空位促进的扩散反应,及其与过渡金属碳化物(TaC、ZrC、B4C)、硼化物(ZrB2)和氮化物(AlN)的固溶反应;通过C空位促进颗粒结合面的原子扩散,从而大幅度地降低了其余强共价键的烧结温度。通过多元复合烧结和调节材料结构,实现力学性能的可控性,制备出适用于PCD(或PDC)的结合剂材料。以TiC为基础相,通过机械合金化法合成具有面心立方结构和高浓度C空位的多组元金属碳化物(TiNb)Cx、(TiV)Cx。选取其中(TiNb)Cx与过渡金属(W)复合制备了PDC。结果显示,第一性原理模拟计算证明TiCx中当0.25≤x≤1的范围结构稳定。随着x值的增大结构稳定性增强;采用机械合金化法(MA)制备出具有面心立方结构,高浓度C空位缺陷的非化学计量比TiCx(0.3≤x≤0.5)纳米级粉体,在5.5 GPa的压力和12001500℃的温度下烧结成致密的压块。高温高压(HTHP)条件下,在C空位的主导下,TiCx分别与TaC、ZrC反应,均生成了与TiC具有相同的面心立方结构共价键化合物;同样在HTHP条件下,TiCx分别与B4C和ZrB2反应,均产生了TiB2。当B4C含量低于28%时,反应完全生成TiB2和TiC。TiB2的生成提升了烧结体的硬度。TiC0.4与ZrB2的反应伴随了TiB2、ZrC、ZrB新相的产生;ZrB2或AlN的添加使得烧结体结构致密,晶粒细小均匀,提高了烧结体的硬度与断裂韧性。以TiC为基础,采用机械合金化法,结合过渡金属(Nb、V)制备了多组元单相非化学计量比MC(本论文中,在无特指情况下,M代表过渡金属元素,C代表C、N、B元素)粉体。其中(TiNb)C0.5在5.5 GPa,1600℃烧结体性能最佳,其维氏硬度和断裂韧性分别为22 GPa和7.2 MPa·m1/2。TiCx结合多元MC,使其烧结温度符合金刚石烧结体的高温高压范围,成功制备了新型全陶瓷结合剂;在TiCx与其它MC共同协调下,金刚石与结合剂界面结合良好,使制备的PDC性能优良。获得磨耗比较高的PDC。
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