等离子体化学气相沉积Ti-N-C膜的研究

用XPS,AES,XRD,SEM及显微硬度计分析和测试了不同成分的等离子体化学气相沉积(PCVD)Ti—N—C膜,并与PCVD一TiN膜比较。认为:Ti—N—C膜优异的耐磨性可归因于高显微硬度及致密的结构。AES及XPS分析结果表明,Ti—N—C与TiN膜表面吸附的氧原子价态不同,其决定因素是膜晶格中是否有足够的碳原子存在。氧吸附态的不同可能导致不同的磨损失效方式。

中频非平衡磁控溅射制备Ti-N-C膜

采用霍尔离子源辅助中频非平衡磁控溅射技术,通过改变工作气氛、偏压模式、溅射电流以及辅助离子束电流,在不锈钢材料基体上制备了Ti/TiN/Ti(C,N)硬质耐磨损膜层.对薄膜的颜色、晶体结构、膜基结合力等性能进行了检测分析.结果表明:膜层的颜色对工作气氛非常敏感,反应溅射中工作气氛的微小变化会引起表面膜层颜色很大的变化.在正常的反应气体进气量范围内和较小的基体偏压下,薄膜的晶体结构没有明显的择优取向.但是反应气体的过量通入会使薄膜的晶体结构出现晶面择优取向趋势.非平衡磁控溅射成膜技术对薄膜晶体结构的择优取向影响并不是很大.在镀膜过程中施加霍尔电流,可以有效地增加膜基结合力.

柱弧离子镀和非平衡磁控溅射镀制备Ti-N-C黑色硬质膜

采用柱弧离子镀和中频孪生靶非平衡磁控溅射镀膜技术制备了Ti-N-C多层复合黑色硬质膜。采用轮廊仪扫描电子显微镜(SEM)、分光光度计、显微硬度计等手段研究了所得膜层的各项性能。结果表明,两种工艺都可以获得颜色较深的黑色硬质膜,柱弧离子镀制备黑色硬质膜的效率高、力学性能更好;中频孪生靶非平衡磁控溅射制备的黑色硬质膜表面光滑、颜色更深。

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。

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.

(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)。

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。

激光熔覆铁基复合熔覆层的裂纹形成机理

激光熔覆是绿色再制造重点发展的工业技术。用高能密度的二氧化碳(CO_(2))激光束,在工件表面进行激光熔覆改性处理,形成成分和性能完全不同于母材的铁基复合熔覆层。激光熔覆层组织由马氏体α-Fe和细小弥散分布的碳氮化钛Ti(C,N)陶瓷颗粒组成。若激光熔覆工艺不当,会形成纵向或横向裂纹。熔合线附近的气孔和微空洞是复合熔覆层开裂的裂纹源,裂纹最初起裂于熔覆层与母材交界处,裂纹扩展为沿晶或穿晶断裂,属于脆性断裂。

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。

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)。

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。

纳米TiC增强Ti(C、N)基金属陶瓷材料的组织与性能研究

采用自制的纳米TiC粉末制备Ti(C、N)基金属陶瓷。研究了纳米粉末对金属陶瓷组织及性能的影响。结果表明,粉末冶金过程中,纳米TiC粉末易于在粘结相中扩散与溶解及沿晶界分布,降低了硬质相在粘结相中的溶解度,抑制了晶粒长大,同时微观上造成局部富C和稳定了硬质相中的C含量,使金属陶瓷材料的环形相增多尺寸增厚。抗弯强度与晶粒尺寸满足于Hall Petch公式,5%～10%(质量分数)的纳米粉末加入量可使金属陶瓷的抗弯强度得到较大的提高,但硬度与晶粒尺寸的关系反Hall Petch公式。

Ti(C,N)复合膜和TiN/Ti(C,N)多层膜组织和显微硬度

采用非平衡反应磁控溅射的方法在Si(100)基片上沉积Ti(C,N)复合膜和不同调制周期、调制比的TiN/Ti(C,N)纳米多层薄膜。薄膜的微观结构和力学性能采用X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计进行表征。结果表明,Ti(C,N)复合膜的微观结构和力学性能与掺入C的含量有关;TiN/Ti(C,N)纳米多层膜的微观结构和力学性能与调制周期和调制比有关,其显微硬度在一定的调制周期和调制比范围内出现了超硬现象。Ti(C,N)、TiN/Ti(C,N)均为δ-NaCl面心立方结构;Ti(C,N)复合膜显微硬度提高是因为固溶强化,TiN/Ti(C,N)纳米多层膜硬度的提高主要是共格外延生长在界面处产生的交变应力场。

纳米Ti(C,N)增强Ti(C,N)基金属陶瓷的研究

采用纳米Ti(C ,N)粉末制备Ti(C ,N)基金属陶瓷 ,研究了纳米粉末对金属陶瓷组织及性能的影响。结果表明 ,粉末冶金过程中 ,纳米Ti(C ,N)粉末易于在粘结相中扩散与溶解及沿晶界分布 ,降低了硬质相在粘结相中的溶解度 ,抑制了晶粒长大 ,提高了材料的红硬性能。抗弯强度与晶粒尺寸满足于Hall Petch公式 ,5wt%～ 10wt%的纳米粉末加入量可使金属陶瓷的抗弯强度和切削性能得到较大的提高 ,但硬度变化不大。切削磨损主要表现为磨粒磨损和轻微的粘着磨损 。

Ti(C,N)基金属陶瓷的研究

研究了合金组成及其含量、烧结工艺、热等静压等对Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷性能的影响。氮的加入形态、Ｎ／Ｃ、钼、镍、碳对合金性能都有影响。其中，Ｎ／Ｃ比值影响粘结相、硬质相的晶格常数及钼在粘结相和ＳＳ相的溶解量。当ＴｉＮ质量分数增加到２６％或镍质量分数增加到２５％时产生Ｎｉ３Ｍｏ相，缺碳则出现Ｎｉ３Ｔｉ相。真空烧结温度超过１４５０℃，ＴｉＮ分解，造成合金收缩率下降。热等静压处理后，抗弯强度提高了７０％以上，相对密度达到９９６％以上，硬度值（ＨＲＡ）提高了０９～１７。