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。

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。

Zr-Ti-B-N刀具涂层在600℃恒温过程的演变研究

评估Zr-Ti-B-N刀具涂层在600℃下的耐热能力,研究不同热处理时间对涂层结构和性能的影响规律。采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合技术制备Zr-Ti-B-N涂层,利用高温马弗炉对涂层进行热处理,借助纳米压痕仪、高温摩擦磨损试验机测试热处理后Zr-Ti-B-N涂层的力学性能、摩擦学性能。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对热处理前后Zr-Ti-B-N涂层的微观结构进行表征,在高温环境下,不同热处理时间对涂层的力学性能、摩擦学性能和微观结构有显著影响。结果证明,在600℃的大气环境下,经1h热处理后,涂层的综合性能稳定,涂层硬度为23.7GPa,临界载荷为31.7N;经2h热处理后,晶粒尺寸逐渐增大,柱状晶结构变得明显,涂层硬度开始下降;经3h热处理后,涂层表面出现明显的氧化膜,晶粒尺寸增大了27.0%,摩擦系数降到最低,为0.66,临界载荷未发生明显变化。

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.

(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。

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)。

磁控溅射镀膜技术在(Cr,Ti,Al)N涂层上的应用

过渡金属氮化物硬质涂层在切削刀具、精密模具和机械零部件等领域有着广泛的应用。随着切削技术的进步和难加工材料的增多,硬质涂层已由传统的二元涂层向着三元、四元涂层不断发展。(Cr,Ti,Al)N四元涂层因其优异的综合性能而备受研究人员的关注。本文从磁控溅射镀膜的基本原理和技术特点出发,介绍了制备(Cr,Ti,Al)N涂层常见的磁控溅射镀膜技术,分析了采用单质靶与合金靶沉积镀膜的效果及其各自的优缺点,研究了磁控溅射工艺参数对(Cr,Ti,Al)N涂层机械性能的影响,最后讨论了(Cr,Ti,Al)N梯度涂层的作用及其制备方法。本文可为设计(Cr,Ti,Al)N涂层制备工艺、改善(Cr,Ti,Al)N涂层性能提供理论参考与指导。

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。

再结晶区变形后冷却速率对Nb-V-Ti-N微合金钢组织演变及力学性能的影响

利用Gleeble-3800热/力模拟机研究了Nb-V-Ti-N微合金钢的动态连续冷却转变规律,并探讨了再结晶区变形后冷速对其组织及性能的影响。结果表明:当冷速由0.1℃/s增大至30℃/s时,实验钢发生铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体相变,冷速区间分别为0.1~30℃/s、0.1~8℃/s、3~30℃/s和15~30℃/s;随着冷速的增大,铁素体、珠光体和贝氏体相变温度分别由785、682和498℃降低到625、553和415℃,而马氏体相变温度则由342℃升高为365℃。当冷速由3℃/s增大至8、20和30℃/s时,钢中大角度晶界占比由0.734不断减少到0.509;平均有效晶粒尺寸先由10.62μm减小到7.46μm后增大到9.61μm,最小值在20℃/s获得;平均KAM值先由0.419°略降低到0.407°后升高到0.691°,最小值在8℃/s获得。此外,当冷速由0.1℃/s增大至30℃/s,实验钢的显微硬度由(197±23.3)HV0.1逐渐增加到(316±11.8)HV0.1,屈服强度由(475±67.1)MPa增加到(818±33.9)MPa。分析可知,为了获得良好的强度-韧性配合,实验钢再结晶区变形后适宜的冷速为8℃/s。

21Cr超纯铁素体不锈钢TiN析出的热动力学研究

非金属夹杂的数量和尺寸控制对钢铁的加工性能与使役行为有着重要影响.基本凝固理论对21Cr超纯铁素体不锈钢中TiN的析出条件进行数值求解,从理论上研究了TiN的热力学、动力学形成条件与析出规律.结果表明:试验钢钢液中无TiN析出,凝固过程中固液界面前沿发生溶质偏析富集,促使TiN在固相率f_(s)为0.15时开始析出.析出的TiN尺寸受钢液中Ti、N元素初始含量与凝固冷却速率的影响,降低Ti、N初始含量,提升凝固冷却速率均可减小TiN半径,Ti,N元素含量对TiN尺寸影响更加敏感,可通过降低钢液中N元素初始含量延迟凝固过程中TiN夹杂物的析出.实际生产中可调控钢液中Ti的添加量,使得TiN的数量与尺寸分布更加合理.

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。

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。

Ti(C,N)基金属陶瓷的研究进展:新型粘结相

Ti(C,N)基金属陶瓷是由金属粘结相和陶瓷硬质相组成的复合材料,具有出色的硬度和韧性组合,在高速切削、表面精加工和耐磨部件等领域广泛应用。使用新型粘结相(金属间化合物、高熵合金、Fe基合金、Ni基合金)来代替传统的Ni、Co、Fe及其复合粘结相时,Ti(C,N)基金属陶瓷的力学性能、耐磨性能、耐腐蚀性能和高温抗氧化性能等均有改善,其使用寿命得以延长。本文综述了国内外采用不同新型粘结相制备的Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织、力学性能、耐磨性能、耐腐蚀性能及抗氧化性能等方面的研究进展,总结了新型粘结相提高金属陶瓷性能的机理,并在此基础上展望了Ti(C,N)基金属陶瓷新型粘结相的未来研究发展方向。

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.