氮含量对Ti-B-C-N薄膜微观结构和性能的影响

采用反应磁控溅射法在高速钢基体上制备氮原子分数分别为10.8%,15.6%,28.1%,36.4%的Ti-B-C-N薄膜,研究了氮含量对薄膜微观结构、硬度和摩擦磨损性能的影响。结果表明:Ti-B-C-N薄膜均由α-Fe和Ti(C,N)纳米晶组成,具有Ti(C,N)纳米晶镶嵌在非晶基体相中的纳米复合结构;随着氮含量增加,非晶相含量增加,Ti(C,N)纳米晶的含量和晶粒尺寸减小;随着氮含量增加,Ti-B-C-N薄膜的显微硬度增大,摩擦因数和磨损率均减小,表面磨痕变浅,磨损机制由剥落和微观犁削转变为微观抛光。

莫来石-Ti(C,N)复合材料的制备及其力学性能研究

以TiO_(2)粉、石墨粉、Al/Si/Al_(2)O_(3)复合粉体为原料,在氮气气氛下经1400℃~1600℃保温2 h,采用碳热还原氮化法制备得到莫来石-Ti(C,N)复合材料,研究了烧成温度对复合材料物相组成、微观结构与力学性能的影响。结果表明:经1400℃热处理后,试样的物相组成为Ti(C,N)、SiO_(2)和硅线石。随热处理温度升高至1450℃~1600℃,硅线石消失的同时,试样出现了短柱状莫来石,并与无定形SiO_(2)紧密连接,形成有效的化学结合。当烧成温度为1500℃时,大量开口气孔随颗粒重排、界面移动而消失,材料颗粒间结合较为紧密,气孔数量明显减少,该烧成温度下试样具有最佳综合性能,其体积密度、弹性模量、抗折强度和维氏硬度分别为(3.48±0.02) g·cm-3、(138.5±0.1) GPa、(158.0±0.03) MPa和(21.01±0.01) GPa。

Y_(2)O_(3)对氧化物结合Ti(C,N)复合材料性能的影响

为探究稀土氧化物对Ti(C,N)复合材料性能的影响,以TiO_(2)粉、石墨粉和Si粉为原料,Y_(2)O_(3)粉为烧结助剂,采用碳热还原氮化法经1600℃高温烧成制备氧化物结合Ti(C,N)材料。研究Y_(2)O_(3)添加量(加入质量分数分别为1%、2%、4%)对Ti(C,N)复合材料物相组成、显微形貌及物理性能的影响。结果表明,高温烧后试样的主物相均为Ti(C,N)、Ti_(3)O_(5)、α-石英及Y_(2)Si_(2)O_(7)。随Y_(2)O_(3)添加量的增大,试样中液相生成量增多,使Ti(C,N)晶粒粗化,Y_(2)Si_(2)O_(7)物相分布不均匀,试样的力学性能受损。当Y_(2)O_(3)添加量(w)为1%时,Ti(C,N)晶粒的平均尺寸约为0.76μm,复合材料具有较高致密度及优异的力学性能,其显气孔率、常温抗折强度和弹性模量分别为0.8%、242.2 MPa和230.3 GPa。

(Cr,La)_(2)(C,N)添加对Ti(C,N)基金属陶瓷结构与性能的影响

在开放体系下采用高温碳管炉制备了(Cr,La)_(2)(C,N)粉末,并将其作为添加剂制备Ti(C,N)基金属陶瓷。利用X射线衍射仪、扫描电镜、万能力学试验机及维氏硬度计等设备研究了(Cr,La)_(2)(C,N)添加对Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织和力学性能的影响。结果表明,(Cr,La)_(2)(C,N)的添加能够有效细化Ti(C,N)基金属陶瓷的硬质相晶粒,其中Cr、La元素主要固溶于粘结相,La元素促进了硬质相的溶解–析出过程,金属陶瓷的抗弯强度、硬度以及断裂韧性等力学性能得到明显改善。当添加(Cr,La)_(2)(C,N)的质量分数为5.0%时,Ti(C,N)基金属陶瓷的综合力学性能达到最佳,抗弯强度为2002 MPa,维氏硬度为1643 MPa,断裂韧性为11.22 MPa·m^(1/2)。

压制压力对纳米Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织和力学性能的影响研究

采用不同的压制压力制备纳米Ti(C,N)基金属陶瓷生坯,研究低压烧结后金属陶瓷的微观组织、收缩性和力学性能。结果表明:当压制压力过低时,粉末排列不紧密,金属陶瓷组织不均匀;当压制压力过高时,金属陶瓷组织发生分层,孔隙度和缺陷增加。当压制压力为180 MPa时,得到的纳米Ti(C,N)基金属陶瓷最为致密,其相对密度为97.06%,收缩系数为1.23,孔隙率最低,为A02B00C00;同时,该金属陶瓷具有最优异的综合力学性能,其中维氏硬度为1680 HV_(30),抗弯强度为1650 MPa,断裂韧性为8.8 MPa·m^(1/2)。

N_(2)分压烧结时间对超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷组织和力学性能的影响

针对真空烧结制备超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷时,烧结体的易脱氮和N的分解问题,通过在液相保温阶段1450℃通入130 Pa氮气,采用分压烧结制备了超细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了氮气分压烧结时间对金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。实验结果表明,氮气分压烧结能提升试样内部组织均匀性。在氮气氛的影响下,试样最外层会形成富Ni层,材料的近表层形成TiN层。分压刚开始,试样最外层只有富Ni层,随分压时间的增加,近表层组织中黑芯相在氮气氛影响下发生溶解,黑芯相尺寸减小,环形相尺寸增加,直至黑芯相逐渐消失,形成富Ti的(Ti,W)(C,N)固溶体,固溶体通过合并长大的方式形成固溶体层,随分压时间增加,富钛的固溶体与N反应在试样近表层形成TiN层。分压烧结时间达40 min时试样的综合力学性能最佳,其抗弯强度增加了20%,达到2350 MPa;维氏硬度增加了13.9%,达到1635HV30;断裂韧性提升不明显。

石墨烯/纳米Al_(2)O_(3)增韧Ti(C,N)基金属陶瓷的力学及摩擦磨损性能

采用真空热压烧结工艺制备了石墨烯(GNPs)和纳米Al_(2)O_(3)增韧的Ti(C,N)基金属陶瓷复合刀具材料(TAG)。研究了GNPs和纳米Al_(2)O_(3)对复合陶瓷材料微观结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响。研究表明,GNPs和纳米Al_(2)O_(3)的添加对复合陶瓷材料的力学性能有明显的提高,当GNPs和纳米Al_(2)O_(3)含量(质量分数)为1%和5%时,复合刀具陶瓷材料(TA5G1)综合力学性能最优,其硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为21.50 GPa、810.80 MPa和10.51 MPa·m^(1/2)。研究了复合刀具材料的摩擦磨损性能和磨损机理,研究结果表明,在TAG复合刀具材料中,TA5G1的摩擦磨损性能最优,其摩擦系数和磨损率分别为0.338和4.921×10^(-6)mm^(3)/(N·m),复合刀具材料的主要磨损形式为磨粒磨损和黏着磨损。

Ti(C,N)基金属陶瓷成分对抗热震性能的影响

制备了不同碳氮比Ti(C,N)固溶体和分别加入NbC、TaC、VC、Cr_(3)C_(2)的Ti(C,N)基金属陶瓷,采用水淬冷热震方法研究了不同成分对Ti(C,N)基金属陶瓷抗热震性能的影响。结果表明:金属陶瓷在热冲击过程中,陶瓷相在热应力的作用下会发生开裂现象,在裂纹扩展路径上产生的微裂纹能促进裂纹扩展;在不同碳氮比的Ti(C_(x),N_(y))固溶体金属陶瓷中,碳氮比7/3的Ti(C_(0.7),N_(0.3))金属陶瓷的抗热震性能最好,本文研究中其热震临界温度为240℃;在添加的四种碳化物(NbC、TaC、VC和Cr_(3)C_(2))中,NbC和TaC能显著提升金属陶瓷的抗热震性,且TaC更优于NbC,而VC和Cr_(3)C_(2)的加入不利于改善金属陶瓷抗热冲击性能。

原位生成陶瓷相结合Ti(C,N)复合材料及其性能研究

以TiO_(2)粉、鳞片石墨和Si粉为原料,采用碳热还原氮化法在1450℃保温2 h制备了陶瓷相结合Ti(C,N)复合材料。研究了Si粉加入量(加入质量分数分别为0、5%、15%、25%)对材料物相组成、显微结构、物理性能及抗氧化性的影响。结果表明:适量Si粉的引入有利于细化Ti(C,N)晶粒,提高Ti(C,N)复合材料的常温力学性能与抗氧化性。当Si粉加入量为5%(w)时,原位生成陶瓷相结合Ti(C,N)复合材料的综合性能较优,其显气孔率、常温抗折强度和常温弹性模量分别约为(38.8±1.6)%、(62.5±2.4)MPa及(59.6±2.2)GPa。随Si粉加入量(w)进一步增加至15%或25%,复合材料的体积密度和力学性能下降。

Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的制备与性能研究

在现代材料科学领域,金属陶瓷复合材料因其独特的物理和化学性质,在航空航天、汽车制造、能源等领域得到了广泛的应用。其中,Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料以其高强度、低密度和优异的耐腐蚀性能而备受关注。文章以实验研究的方式探究Ti(C,N)基金属陶瓷复合氮化硼材料的制备工艺及其性能,以期为各个应用领域的进一步发展提供理论依据。

成型压力对Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织结构和力学性能的影响

以Ti(C,N)为基体硬质相,Ni和Co为金属黏结相,WC、Mo_(2)C和TaC为第二相碳化物,借助真空热压烧结技术制备了Ti(C,N)基金属陶瓷,探究了成型压力对金属陶瓷物相组成、微观形貌和成分、相对致密度、显微硬度、断裂韧性和抗弯强度的影响.研究结果表明:成型压力并未改变金属陶瓷的物相组成,所有试样均展现出典型的芯-环结构;无压成型烧结制备出的金属陶瓷不仅具有典型的黑芯-灰白双环结构,还呈现另一种白芯灰环结构.同时,金属陶瓷的晶粒度得到了细化.力学性能测试结果表明:成型压力达到8 MPa,金属陶瓷的相对致密度、显微硬度、断裂韧性和抗弯强度达到最大值,分别为99.1%,19.39 GPa, 7.84 MPa·m^(1/2)和1 488 MPa.金属陶瓷的断裂模式主要为沿晶断裂,并呈现较多的韧窝和撕裂棱.

N含量对Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织结构和性能的影响

针对Ti(C, N)基金属陶瓷在烧结过程中存在明显脱氮行为的问题,采用氮分压烧结方法是实现微观组织结构可控和获得优异性能的关键之一。制备了3种不同氮含量的Ti(C, N)基金属陶瓷,研究了氮含量和烧结温度对合金芯部和表面梯度层微观组织结构和性能的影响。结果表明:随着氮含量增加,合金芯部Ti(C,N)黑芯数量越多,黑芯外环的厚度越薄,同时硬质相晶粒越细;随着烧结温度升高,样品氮分解压力逐渐增大,由开始的渗氮现象转变为脱氮现象。当烧结温度为1 470℃时,合金表面发生了渗氮反应,形成一层无环黑芯聚集层,且其厚度随着合金氮含量的增加而减少;当烧结温度增加至1 530℃时,合金表面发生了脱氮反应,形成了一层灰色固溶体层,且随着合金中氮含量的增加,脱氮反应加剧,固溶体层厚度也越厚。研究发现,在1 470℃和0.8 kPa氮分压下烧结的样品,为含氮量最高的合金,具有最薄的黑芯聚集层和最细的硬质相晶粒,表现出较佳的综合性能。

烧结氮分压及原料粒度对Ti(C,N)基金属陶瓷表面组织结构和性能的影响

Ti(C, N)基金属陶瓷烧结过程中伴随着强烈的氮分解,烧结氮分压是影响Ti(C, N)基金属陶瓷“芯-环”结构和力学性能的重要工艺参数。因此,采用不同原料粒度的Ti(C, N)粉末,分别在0.5, 1.0, 1.5kPa氮分压及不同烧结温度下,制备了Ti(C,N)基金属陶瓷,并研究烧结氮分压、烧结温度及原料粒度对Ti(C,N)基金属陶瓷表面梯度组织结构及性能的影响。结果表明:在渗氮作用下,Ti(C,N)基金属陶瓷表层会形成无环黑芯聚集层,且随着烧结氮分压增加,表层黑芯聚集层变厚;随着烧结温度升高,样品的平衡氮分压增大,渗氮驱动力减弱,黑芯聚集层变薄;此外,Ti(C, N)原料粒度越细,烧结致密化前的脱氮反应越剧烈,样品氮损失越多,平衡氮分压越低,渗氮作用越强,且当氮分压为1.5 kPa时,陶瓷表面出现柱状渗氮组织。研究发现,在1 470℃、1.5 kPa氮分压下,烧结的Ti(C, N)基金属陶瓷样品表面有较厚的富黑芯层与富黏结相层,晶粒分布均匀,平均黑芯晶粒尺寸为0.69μm,样品表现出较佳的综合性能。

添加纳米Ti(C,N)对粗晶WC-8Co硬质合金微观组织和力学性能的影响

将粒度为0.2μm的Ti(C,N)纳米粉末添加到粗晶WC-8Co硬质合金中,采用低压烧结技术制备了WC-xTi(C,N)-8Co系列硬质合金。利用XRD、SEM和EDS研究了添加纳米Ti(C,N)的硬质合金试样的物相组成和微观组织,并分析和讨论了合金的钴磁、矫顽磁力、洛氏硬度和抗弯强度等性能。结果表明,添加纳米Ti(C,N)烧结后的合金均出现了典型的Ti(C,N)芯-环结构,提高了硬质合金的硬度。然而,微量的Ti(C,N)添加会导致合金的力学性能下降,当添加量达到5%时,合金的综合力学性能最好,但当添加量达到15%以上时,基体出现脱碳相,导致合金的抗弯强度大幅下降。

核壳结构SiC@Ti(C,N)复合材料的制备及性能研究

目的 碳化物陶瓷材料因优异的力学性能在精加工和切削行业具有广阔的应用前景,制备特定结构的碳化物复合材料能够改善材料的综合性能。方法 通过化学法在SiC表面包覆纳米Ti(C,N),无压烧结制备了具有核壳结构的SiC@Ti(C,N)复合材料。采用XRD、SEM、TEM和EDS等方法,研究退火温度和原料配比对复合材料的成分组成和微观结构的影响。通过同步热分析(TG-DSC)比较单相和复合材料抗氧化性能差异。使用显微维氏硬度计和万能材料试验机测试材料力学性能的变化趋势及原因。构建核壳颗粒致密化模型,分析复合材料的致密化机制和增韧机理。结果 随着烧结温度的升高,其显微硬度先升高后降低。随着SiC比例的增大,其显微硬度、压缩强度和断裂韧性均先增大后减小。在1250℃下,制备的原料质量比为11:1的SiC@Ti(C,N)复合材料具有最大显微硬度、压缩强度和断裂韧性,分别为3 273HV、434 MPa、4.38MPa·m^(1/2)。结论 通过比较复合材料和单一碳化物材料的力学性能发现,具有核壳结构的SiC@Ti(C,N)复合材料综合性能得到提升。纳米Ti(C,N)填充复合材料孔隙并促进致密化烧结,从而提升了复合材料的强度;通过Ti(C,N)骨架的偏转裂纹实现增韧。

La_(2)O_(3)添加量对Ti(C,N)-WC-Mo_(2)C-Ni-Co金属陶瓷组织结构和力学性能的影响

稀土元素被认为是可以有效改善TiCN基金属陶瓷性能的添加剂,但其在高Mo_(2)C含量下的效果尚未得到深入研究。本研究采用真空热压烧结技术,在1500℃下制备了不同La_(2)O_(3)含量的Ti(C,N)-WC-Mo_(2)C-Cr_(3)C_(2)-Ni-Co金属陶瓷,其中Mo_(2)C含量为12 wt.%。对不同La_(2)O_(3)添加量(0.5 wt.%、1.0 wt.%、1.5 wt.%和2.0 wt.%)对Ti(C,N)基陶瓷显微组织和力学性能的影响进行了参数化分析。结果表明,当La_(2)O_(3)含量增加到1.0 wt.%时,芯相的比例增加,脆壳相的比例减少;在陶瓷相晶界上形成的纳米结构,有效抑制了壳相组织的异常长大,这使得金属陶瓷的脆壳相变薄,硬质相颗粒细化,从而提高了其硬度和断裂韧性等力学性能。当La_(2)O_(3)的添加量从1.5 wt.%增加到2.0 wt.%时,La_(2)O_(3)团聚形成直径约100 nm的较大颗粒,大幅度降低了金属陶瓷的力学性能。当La_(2)O_(3)添加量为1.0 wt.%时,Ti(C,N)基陶瓷的综合力学性能最佳,其维氏硬度和断裂韧性分别为16.55 GPa和6.14 MPa·m^(1/2)。本研究有助于进一步揭示稀土氧化物对高Mo_(2)C含量Ti(C,N)基陶瓷芯壳结构和力学性能的影响。

Ni-Ti-Cr固溶体对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响

以机械合金化的Ni-Ti-Cr固溶体作为粘结剂制备了Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了不同Cr含量的固溶体对金属陶瓷微观组织、力学性能和氧化行为的影响。结果表明,随着Cr含量的增加,金属陶瓷颗粒尺寸先减小后增大,抗弯强度、断裂韧性和硬度先增大后减小。当Ni、Ti、Cr的质量比为91∶3∶6时,金属陶瓷的综合性能最好,抗弯强度、断裂韧性和硬度分别达到2120.3 MPa、15.41 MPa·m^(1/2)和88.9 HRA,且氧化膜致密,氧化增重和氧化膜剥落较少。金属陶瓷经过60 h氧化后,外层氧化膜以NiO为主,TiO_(2)主要嵌在NiO晶界处,往内为疏松的TiO_(2)层,再往内Cr元素富集,形成致密的NiO和NiCr_(2)O_(4)层,可有效吸收氧原子,阻碍进一步氧化,并起到层与层之间连接和过渡的作用。在循环氧化时,金属陶瓷氧化膜经历了从NiO层到TiO_(2)层循环剥落的过程。

烧结温度和保温时间对Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织结构和性能的影响

通过氮气氛烧结制备了Ti(C,N)-WC-TaC-NbC-Co-Ni金属陶瓷,研究了烧结温度和保温时间对Ti(C,N)基金属陶瓷芯部和表面的微观组织结构及性能的影响。结果表明:Ti(C,N)基金属陶瓷表面在渗氮的作用下会形成富无环黑芯和黏结相层;随着烧结温度的升高,样品的平衡氮分解压力增大,渗氮作用减弱,表层富无环黑芯和黏结相层变薄;而随着保温时间的延长,表层富无环黑芯和黏结相层逐渐变厚,次表层缺黑芯越来越明显。随着烧结温度升高和保温时间延长,溶解再析出过程加剧,芯部Ti(C,N)黑芯体积分数减少,环相变厚且无环黑芯数量减少,硬质相晶粒尺寸增加。随着烧结温度的升高,合金硬度、钴磁和矫顽磁力逐渐减小,断裂韧性先增加后减小;随着保温时间的延长,硬度和断裂韧性均有先下降后升高的趋势,而钴磁和矫顽磁力逐渐增大。在1500℃保温40 min烧结的样品综合性能最好,维氏硬度达到1544 HV30,断裂韧性为9.0 MPa·m^(1/2),钴磁和矫顽磁力分别为4.74和9.42 kA/m。

Al_(x)CoCrFeNi高熵合金黏结剂对Ti(C,N)基金属陶瓷微观结构和高温抗氧化性能的影响

以Al_(x)CoCrFeNi高熵合金(x=0,0.5,1,物质的量比)作为黏结剂,采用低压烧结法制备Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了Al_(x)CoCrFeNi高熵合金黏结剂对金属陶瓷微观结构和高温抗氧化性能的影响。结果表明:所制备的金属陶瓷均主要由面心立方(FCC)结构的Ti(C,N)相和FCC结构的高熵合金黏结相组成,在高温烧结时Al_(0.5)CoCrFeNi和AlCoCrFeNi高熵合金发生了体心立方(BCC)结构相到FCC结构相的转变;金属陶瓷中均形成了典型的芯-环结构,以AlCoCrFeNi高熵合金为黏结剂制备的金属陶瓷中含有较多孔隙;在1000℃氧化6 h后,以CoCrFeNi、Al_(0.5)CoCrFeNi和AlCoCrFeNi高熵合金为黏结剂制备的金属陶瓷的单位面积质量增加量分别为3.58,2.95,2.81 mg·cm^(-2),以Al-CoCrFeNi高熵合金为黏结剂制备的金属陶瓷具有最优的高温抗氧化性能。

C/N比对Ti(C,N)基金属陶瓷抗氧化性的影响

用Ti(C_(0.7),N_(0.3))、Ti(C_(0.5),N_(0.5))和Ti(C_(0.3),N_(0.7))原料制备了3种不同C/N比的Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了C/N比对Ti(C,N)基金属陶瓷抗氧化性的影响。结果表明,Ti(C,N)基金属陶瓷氧化动力学曲线遵循指数规律,氧化速度由扩散控制占主导地位。随C/N比减小,表层的氧化产物WO_(3)和MoO_(3)挥发,氧化增质和氧化层厚度减小。C/N比对Ti(C,N)基金属陶瓷的最外层氧化产物和抗氧化性有重要影响,随C/N比减小,最外层氧化产物由钛铁矿型结构CoTiO_(3)、NiTiO_(3)相数量占主导地位,转化为以(Ni,Co)O_(2)和尖晶石型结构Co_(2)TiO_(4)相数量占主导地位,增强了抗氧化性。