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。

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。

牙轮钻头Ti(C,N)基金属陶瓷密封配副磨损研究

目前牙轮钻头金属密封环通常采用相同的金属材料,其磨损性能不佳,易造成金属密封因磨损严重而失效。为提高金属密封的磨损性能,提出采用Ti(C,N)基金属陶瓷作为牙轮钻头密封副,并开展其与不同材料配副的磨损试验,研究不同摩擦副的摩擦磨损性能和磨损形式;建立适用于牙轮钻头金属密封材料的数值磨损模型,开展Ti(C,N)基金属陶瓷与不同材料配副的双金属密封性能的数值模拟,基于磨损模型预测使用30 h后不同双金属密封的磨损体积。试验结果表明:当Ti(C,N)基金属陶瓷作为动摩擦副,9CrSi作为静摩擦副时,金属环表面平均磨损体积最小,同时摩擦因数较小,磨损性能更佳。通过试验与仿真数据对比,验证了建立的数值磨损模型适用于双金属密封。仿真结果表明:当Ti(C,N)基金属陶瓷作为动金属环,9CrSi作为静金属环时密封端面磨损体积最小,金属密封磨损性能显著提高,其接触应力最大值为23.243 MPa,能够满足密封要求。

原位合成Ti(C,N)-WC/Ni60A基复合涂层显微结构及性能

针对农机作业中触土刀具易磨损、失效频繁、寿命低、消耗成本高等现状,研究开发了金属表面熔覆陶瓷涂层工艺。采用反应等离子熔覆技术,在Q235B钢表面制备了Ti(C,N)-WC增强Ni60A基复合陶瓷涂层。利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计、金相显微镜等对复合熔覆层的微观结构及强质硬化相的成分、组织、性能进行了分析。研究结果表明:预涂敷层中的钛(Ti)粉、石墨粉、氮化钛(TiN)粉在等离子熔覆过程中原位合成了颗粒状新生相Ti(C,N),且均匀弥散分布在熔覆层中,形成了主要由硬质相、包覆相、粘结相组成的芯-环结构;涂层平均硬度达HV0.51750,最高可达HV0.52040;涂层的磨损机理主要为磨粒磨损,与基体相比,有较好的硬度和耐磨性能,以期为农机刀具材料强化提供参考。

适宜碳化钨含量提高Ti(C,N)-WC涂层耐磨耐蚀性

为了提高农机关键部件表面强度,采用反应等离子熔覆技术,在Q235B钢表面制备了不同碳化钨WC含量的Ti(C,N)-WC金属陶瓷复合涂层。利用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计、摩擦磨损试验机、电化学工作站对复合涂层的形貌、物相及其耐磨耐蚀性进行了分析,并与Q235B钢进行了硬度、耐磨耐蚀性对比试验。结果表明:涂层组织主要由硬质相、包覆相、粘结相组成,涂层与基体呈冶金结合;在一定范围内,随着WC含量的增加,涂层的显微硬度及耐磨耐蚀性能都有所增强,当WC质量分数为12%时涂层的耐磨耐蚀性能最优,12%WC涂层与Q235B钢基体相比,涂层硬度提高了6倍,摩擦系数为基体的2/5,磨损量为基体的1/16;在5%H2SO4溶液中,12%WC涂层的腐蚀速率为Q235B钢的1/9,在3.5%NaCl溶液中,12%WC涂层的腐蚀速率为Q235B钢的1/4,涂层较基体有更好的耐磨性、耐蚀性,该研究以期为农机材料强化提供参考。

氩弧熔覆原位自生Ti(C、N)-WC增强Ni60A复合涂层的研究

以Ni60A、TiC、TiN、WC、Co粉为原料,在Q235钢的表面用氩弧熔覆原位合成技术制备了Ti(C、N)-WC增强镍基复合材料涂层.研究了涂层的显微组织、化学成分、硬度变化和摩擦磨损特性.熔覆层组织主要由富Ni的γ(Ni,Fe)相、Ti(C、N)、WC和(Fe,Cr)xC等组成.涂层的显微硬度和耐磨性分别是基体Q235钢的6.5倍和10倍.显微硬度由表及里呈先上升后下降的阶梯状趋势,到热影响区时又明显降低.基体Q235钢的磨损机制为黏着磨损和磨料磨损,而复合涂层的的磨损形式主要是磨屑充当第三体引起的磨粒磨损.

立方氮化硼复合Ti(C,N)基金属陶瓷刀具切削性能

采用热等静压烧结工艺制备两组含有不同立方氮化硼(CBN)成分的Ti(C,N)基金属陶瓷刀片,在不同的切削速度和进给量的条件下进行45刚切削测试,分析了刀具的耐用度和失效方式,探讨了立方氮化硼复合Ti(C,N)基金属陶瓷刀具磨损机理。结果表明,在Ti(C,N)基金属陶瓷刀具中添加立方氮化硼(CBN)能显著提高切削性能,在高速切削情况下,方氮化硼(CBN)对扩散磨损、氧化磨损以及粘结磨损有较好的缓解作用。

Ti(C,N)-Mo_2C-WC-Ni-Co纳米改性金属陶瓷材料的热冲击性能研究

采用XRD、SEM进行了纳米改性Ti(C,N)-Mo2C-WC-Ni-Co金属陶瓷材料的相结构分析和微观结构分析。结果表明,金属陶瓷仍为两相结构,其中陶瓷相呈典型的"芯-壳"结构。在800℃热循环条件下,研究了纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料的热冲击裂纹形成与扩展特性,研究表明,相比普通金属陶瓷材料,纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷材料的抗热冲击性能较好;随着热循环次数的增加,试样表面的孔洞的数量和尺寸也明显增加;裂纹扩展过程中出现了裂纹的偏转、弯曲和桥接现象。初步探讨了热冲击裂纹的形成和扩展机理。

氩弧熔覆原位合成Ti(C,N)-WC增强镍基表层复合材料的研究

以Ni60A粉、TiC粉、TiN粉、WC粉和Co粉为原料,在Q235钢的表面用氩弧熔覆原位合成技术制备了Ti(C,N)-WC增强镍基复合材料涂层。分析了涂层的显微组织、化学成分、硬度变化和摩擦磨损特性。研究结果表明:熔覆层组织主要由富Ni的γ(Ni,Fe)相,Ti(C,N),WC和(Fe,Cr);C等组成。与Q235钢基体相比,涂层的显微硬度和耐磨性分别是基体Q235钢的6.5倍和10倍。显微硬度由表及里呈先上升后下降的阶梯状趋势,到热影响区时又明显降低。基体Q235钢的磨损机制为粘着磨损和磨料磨损,而复合涂层的的磨损形式主要是磨屑充当第三体引起的磨粒磨损。

CNTs-Ti(C,N)-WC-Co金属陶瓷材料的制备与力学性能

采用化学镀工艺在碳纳米管表面镀Co,采用粉末冶金法真空烧结制备了不同碳纳米管含量的Ti(C,N)-Co金属陶瓷。研究了不同含量的碳纳米管对Ti(C,N)-Co金属陶瓷组织和力学性能的影响。结果表明,金属陶瓷的组织中具有黑芯-灰壳结构和白芯-灰壳结构,Ti(C,N)-Co金属陶瓷的断裂韧性和硬度随碳纳米管含量的增加先增高后降低。金属陶瓷的断裂韧性在碳纳米管含量为0.5wt%时达到最大,比未加碳纳米管的试样断裂韧性提高了113%;金属陶瓷的硬度在碳纳米管含量为1.0wt%时达到最大,比未加碳纳米管的试样硬度提高了44%。

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。

不同量Ta的添加对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

向Ti(C,N)基金属陶瓷中加入不同量的钽,随后检测了含钽量不同的金属陶瓷的显微组织和力学性能.结果表明:Ti(C,N)基金属陶瓷硬质相主要由黑芯、白色内壳和灰色外壳构成,Ta添加量超过4%的Ti(C,N)基金属陶瓷有白芯相和无芯相;随着Ta添加量的增加,硬质相的尺寸减小,Ta添加量为4%的Ti(C,N)基金属陶瓷硬质相尺寸最小;随着Ta添加量的增加,Ti(C,N)基金属陶瓷的硬度和抗弯强度先增加后减小,断裂韧度增加.

高熵合金/陶瓷在Ti(C,N)基金属陶瓷中的研究现状与展望

Ti(C,N)基金属陶瓷因其具有良好的硬度、耐磨性和化学稳定性,成为制造业中不可或缺的关键材料,进一步提高金属陶瓷材料的强韧性对扩大其应用领域和应用规模具有十分重要的意义。本文阐述了Ti(C,N)基金属陶瓷的相结构特点,并重点综述了高熵合金/陶瓷在Ti(C,N)基金属陶瓷的黏结相和添加相成分设计和制备中的应用。对高熵合金/陶瓷在金属陶瓷的主要研究方向进行了总结展望:在Ti(C,N)基金属陶瓷中加入高熵合金黏结相后组织的演变和对材料性能的影响机理需进一步研究;同时高熵陶瓷添加相在Ti(C,N)基金属陶瓷中的作用及机理也是一个重要的研究方向。

(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)。

Nb_(2)O_(5)含量对原位碳热还原法制备的Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

以原位碳热还原法制备了Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了Nb_(2)O_(5)添加量对金属陶瓷显微组织和力学性能的影响规律。结果显示:当添加Nb_(2)O_(5)的质量分数由0增加至2.80%时,金属陶瓷硬质相晶粒明显细化,显微组织中“白芯-灰环”晶粒数量增多;室温抗弯强度、硬度、临界热震温差和高温抗弯强度有所增加,但断裂韧性略微降低。随着Nb_(2)O_(5)的添加量继续增加,金属陶瓷显微组织中出现孔洞,室温抗弯强度、硬度、临界热震温差、高温抗弯强度和断裂韧性均不断下降。当Nb_(2)O_(5)的添加量为2.80%时,金属陶瓷表现出最佳的综合力学性能,其室温抗弯强度、硬度、断裂韧性、临界热震温差和高温抗弯强度分别为:2439MPa、90.6HRA、12.8MPa•m^(1/2)、360℃、1519MPa。

铬添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响

以TiC、TiN、WC、钼粉、Cr_(3)C_(2)为硬质相原料,以镍粉和铬粉为黏结剂(添加总质量分数为25%,铬粉质量分数分别为0,2.5%,5.0%,7.5%),采用真空烧结工艺制备Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了铬添加量对该金属陶瓷显微组织、力学性能和抗氧化性能的影响。结果表明:添加不同含量铬的Ti(C,N)基金属陶瓷晶粒均为芯-环结构,芯相为Ti(C,N),环形相为(Ti,W,Mo,Cr)(C,N)多元固溶体;随着铬添加量的增加,金属陶瓷晶粒尺寸明显变大,同时环形相的均匀性变差;随着铬添加量增加,金属陶瓷的硬度增加,抗弯强度降低,断裂韧度先升后降,当黏结相中铬质量分数为5.0%时综合力学性能最佳,抗弯强度、硬度和断裂韧度分别达到1829 MPa、90.5 HRA和11.57 MPa·m^(1/2)。当黏结相中铬质量分数为5.0%时,金属陶瓷的单位面积氧化质量增加量较未添加铬的低,在氧化过程中表面形成了含NiCr_(2)O_(4)和CrMoO_(4)的致密氧化膜,有效阻碍了氧元素的进一步扩散,提升了基体的抗氧化性能。

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)。

铬添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷结构和磁学性能的影响

以TiC粉、镍粉、TiN粉、碳粉以及铬粉为原料,采用粉末冶金法制备TiC-10TiN-xCr-30Ni-4C(x=0,2,4,6,8,物质的量分数/%)金属陶瓷,研究了铬添加量对金属陶瓷结构、磁学性能以及力学性能的影响。结果表明:随着铬添加量的增加,金属陶瓷的密度增大,Ti(C,N)陶瓷相呈黑芯-灰环结构且黑芯和灰环的成分变得更均匀,Ti(C,N)陶瓷相颗粒细化,镍基黏结相的晶格常数先增加后略微减小。当铬物质的量分数不大于2%时,金属陶瓷呈铁磁性,随着铬添加量的继续增加,金属陶瓷具有室温无磁性的特性。随着铬添加量的增加,金属陶瓷的室温最大磁化率先降后升,饱和磁化强度和剩余磁化强度均降低,且当铬的物质的量分数大于2%时,均保持为0。随着铬添加量的增加,金属陶瓷的抗弯强度降低,硬度升高。铬添加物质的量分数为4%时,金属陶瓷的综合性能最好,具有室温无磁性、最低的室温最大磁化率(1.85×10^(-7)m^(3)·kg^(-1))、较高的抗弯强度(1 094 MPa)和硬度(88.1 HRA)。

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。

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。