双芯环结构Ti(C,N)基金属陶瓷材料的制备

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碳氮化钛基金属陶瓷具有优异的耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能,是制造业和军事产品的材料选择之一,同时也被认为是WC等硬质合金的潜在替代产品之一。但是由于其硬质烧结相为多晶烧结材料,所以其致命弱点是脆性大、韧性不足。而本文主要是通过在原料中加入自制的具有面心立方结构的β-Co和(Ti,W,Mo,Ta)(C,N)固溶体粉末来制备出具有两种芯环结构的Ti(C,N)基金属陶瓷,即黑芯白环和白芯灰环,从而达到增强金属陶瓷力学性能的目的。首先以CoCl2·6H2O和Na2CO3为原料,通过高能球磨、喷雾干燥和热分解等方法制备出具有面心立方结构的β-Co。采用固相化学反应与碳热还原反应相结合的方法,将Ti、W、Mo、Ta等重金属元素与(C,N)复合,制备出(Ti,W,Mo,Ta)(C,N)固溶体粉末。然后通过烧结制备出Ti(C,N)-WC-MoC-TaC-(α-Co)的样品A;Ti(C,N)-WC-MoC-TaC-(β-Co)的样品B;Ti(C,N)-β-Co-(Ti,W,Mo,Ta)(C,N)的样品C。最后使用D/MAX2500VL/PC型X(X-ray diffractometer,XRD)射线衍射仪分析物相,用Jeol-6490LV扫描电子显微镜观察样品的形貌和微观结构。用We-100b通用材料试验机测试每个样品,并且采用三点弯曲法计算出样品横向断裂强度(TRS)。样品的尺寸为20×6.5×5.5mm(长度和高度),跨度为30 mm,加载速度为0.5mm·min-1。使用AR-600洛氏硬度计测量每个样品的洛氏硬度。然后用HV-50测试仪测试每种样品材料的维氏硬度,并且使用Shetty断裂韧性公式计算其断裂韧性值。结果表明:1、通过高能球磨的固相反应所制得的具有面心立方结构的β-Co微球粉末具有较高的化学能和良好的润湿性,可以加速固相扩散,促进原子扩散,加快烧结时的固溶速度。这极大的改善了陶瓷相的润湿性并挺高了固溶强化的效果;2、(Ti,W,Mo,Ta)(C,N)固溶体粉末可以通过碳热氮化还原反应制备得到,工艺条件为采用N2氛围,温度为1600℃,保温2h;3、使用自制的面心立方结构β-Co作为粘接相并且使用(Ti,W,Mo,Ta)(C,N)固溶体粉末代替单金属二次碳化物来制备金属陶瓷,可以得到具有两种芯环结构的Ti(C,N)基金属陶瓷。由于具有这种环状结构,当金属陶瓷受到外力作用的时候,应力传递可以得以缓解并且裂纹变形得到改善,这也就意味着金属陶瓷的韧性可以得到改善。4、将本实验制备的金属陶瓷的性能与传统金属陶瓷进行了对比,前者的横向断裂韧性(KIC)比普通的提高了7%,弯曲强度(TRS)提高了10%。
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