Ti5Al2C3与Ti2AlC、Ti3AlC2结构、弹性和电子性质的第一性原理对比研究

采用第一性原理的方法,研究了Ti5Al2C3在高压下的结构、弹性和电子性质,并与Ti2AlC和Ti3AlC2进行了对比分析。结果表明:三者的晶格常数a值近似相等,而Ti5Al2C3的c值和V值则分别近似等于Ti2AlC和Ti3AlC2的对应值之和;通过晶体结构分析认为Ti2AlC和Ti3AlC2分别由Al-Ti-C-Ti链和Al-Ti-C-Ti-C-Ti链交替排列构成,而Ti5Al2C3的结构主链Al-Ti-C-Ti-Al-Ti-C-Ti-C-Ti刚好是Ti2AlC和Ti3AlC2的主链之和;综合分析认为Ti5Al2C3可由Ti2AlC与Ti3AlC2组合而成。三者的结构参数都随着压力增大而减小,Ti5Al2C3的弹性性质介于Ti2AlC和Ti3AlC2之间,满足Ti3AlC2>Ti5Al2C3>Ti2AlC;通过电子态密度分析认为三者均具有共价键和金属键的共同性质。

以g-C3N4为原料快速合成Ti2Al（C,N）陶瓷及其层状生长机制研究

以Ti、Al和g-C3N4粉体为原料,采用快速、能耗低的自蔓延高温合成法制备出Ti2Al(C,N)。当Ti、Al和g-C3N4的物质的量比为2∶1.05∶1时,Ti2Al(C,N)的含量最高。在反应过程中,Al的熔化促进了Ti(s)和g-C3N4(s)反应生成Ti(C,N)(s),在降温阶段Ti(s)和Al(l)形成TiAl(s),之后Ti(C,N)(s)和TiAl(s)反应生成片层状的Ti 2Al(C,N)(s)。Ti2Al(C,N)晶粒的层状生长研究表明,Ti2Al(C,N)为二维生长机制,以阶梯状生长模式生长;Ti2Al(C,N)大晶粒的片层存在向内的扩展方式;杂质小颗粒的存在对Ti2Al(C,N)片层的横向扩展产生阻碍作用。

原位热压反应制备高性能亚微米层状Ti_3C_2/(Cu-Al)金属陶瓷

以Ti3AlC2和Cu粉作为原料,在1150℃下原位热压反应制备了具有亚微米层状结构的Ti3C2/(Cu-Al)金属陶瓷材料。XRD、SEM和TEM分析表明,这种亚微米层状结构的形成,归因于Ti3AlC2与Cu的高温反应引发Ti3AlC2层状结构解离、Al原子溶脱,固溶入周围的Cu中形成Cu-Al固溶体,Al溶出后的Ti3AlC2中原始Ti3C2层规律性聚集、最终形成厚度为150nm左右的Ti3C2层与Cu-Al层交替层叠结构。由于这两种结构之间的牢固结合以及Cu-Al相构成的空间网络结构,使得此金属陶瓷材料具有优异的力学性能和电学性能。其抗弯强度超过1200MPa,并具有良好的断裂韧性和导电性。

添加物对Al_2O_3-TiC/Ti(C,N)系陶瓷复合材料组织和性能的影响

Al2O3-TiC/Ti(C,N)系陶瓷复合材料具有广阔的应用前景,但综合性能还有待进一步改善。分析讨论了TiC/Ti(C,N)主要成分含量对组织性能的影响,综述了Cr2O3、Y2O3、ZrO2等化合物添加物和Fe、Al、Co、Ni、Mo等金属添加物对Al2O3-TiC/Ti(C,N)系陶瓷复合材料中组织和性能影响的研究结果,并比较分析了其各自的特点。

机械合金化合成Ti_3AlC_2导电陶瓷

以Ti,Al和C单质作为原料,通过机械合金化制备出了Ti3AlC2粉体,并对其结构和成分进行了表征。研究了添加少量Si对其合成过程和合成产物的影响。结果表明,采用机械合金化方法可合成Ti3AlC2,合成产物中除了粉体外还有块体,其中粉体和块体产物中Ti3AlC2的含量几乎相似,大约为86wt%;通过掺杂适量的Si,可以促进Ti3AlC2的形成,产物中所得Ti3AlC2的含量分别高达94.2wt%和95.1wt%,同时还形成了Ti3Al(Si)C2固溶体。

石墨烯增韧Al_2O_3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料的制备及其微观结构分析

采用热压烧结工艺制备了石墨烯增韧Al_2O_3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料,测试了石墨烯垂直于(VHPD)和平行于热压方向(PHPD)上的力学性能,研究了石墨烯取向对其力学性能和微观结构的影响。测试结果表明石墨烯具有明显的增韧补强作用,石墨烯的取向对刀具材料的抗弯强度具有明显的各向异性。当石墨烯含量为0.75 vol%时,VHPD方向上的抗弯强度达到667 MPa,较未添加石墨烯的组分提高了16%;PHPD方向的抗弯强度为575 MPa,断裂韧性达到7.1 MPa·m1/2。采用扫面电子显微镜(SEM)对材料进行了微观结构分析,结果表明石墨烯拉断和拔出是其主要增韧形式。石墨烯在基体材料中具有明显取向特征,石墨烯片层之间相互平行,且垂直于热压方向。

Ti_3C_2/Cu(Al)金属陶瓷的无焊料氩弧焊接

采用氩气保护无焊料电弧焊接方法,实现了以 Ti_3AlC_2和 Cu 为原料反应复合的Ti_3C_2/Cu(Al)金属陶瓷材料之间的牢固连接。研究了在氩气保护下焊接电流、拉弧时间和接合压力的施加条件,并对焊缝及其影响区的显微组织进行了观察和分析。结果表明:在适当的焊接电流、拉弧时间和接合压力下,焊接面之间形成了良好的熔合,焊缝及影响区的致密度显著增大。在较低的Ti3C2陶瓷相含量情况下,焊缝区的 Ti_3C_2相形态没有显著变化,焊接件的三点弯曲强度达到母材强度的110%,断裂大多发生在焊缝及其影响区之外。在较高的 Ti_3C_2陶瓷相含量情况下,焊缝区内 Ti_3C_2颗粒明显变细,形成细小的 Ti_3C_2颗粒均匀弥散于 Cu(Al)合金网络结构的特殊显微形貌,焊接件的三点弯曲强度达到母材强度的93%,断裂基本发生在焊缝或影响区与母材的交界处附近。

基于微波烧结的Ti(C,N)/Al_2O_3金属陶瓷刀具切削淬硬钢的试验研究

利用微波烧结技术制备了Ti(C,N)/Al_2O_3金属陶瓷刀具(TA),并通过高速干式切削淬硬钢40Cr(50±2HRC)研究刀具的切削性能,同时与硬质合金刀具YT15进行对比。采用正交试验和极差分析法,以切削参数为优化对象,以工件金属去除率、表面粗糙度和刀具寿命为优化目标,确定了刀具的最佳切削用量。试验结果表明,切削淬硬钢40Cr时,刀具TA的最优切削参数为v=120m/min、a_p=0.3mm、f=0.1mm/r。TA刀具的切削时间为66min,比YT15提高了175%。工件平均表面粗糙度为1.27μm,比硬质合金刀具降低了15.9%。刀具的切削性能优于硬质合金刀具,并且可以实现以车代磨。

Ti_3(Si,Al)C_2金属间化合物多孔材料的抗盐酸腐蚀性能

以Ti、Si、Al和石墨元素粉末为原料,采用粉末冶金方法制备的Ti_3(Si,Al)C_2金属间化合物多孔材料,具有良好的孔隙结构特征和力学性能。研究Ti_3(Si,Al)C_2多孔材料分别在0.001,0.01,0.1和1 mol/L盐酸溶液中的质量、孔结构和表面形貌的变化情况。通过Tafel曲线得到Ti_3(Si,Al)C_2多孔材料的电化学腐蚀动力学参数,并与多孔Ti材料进行对比。结果显示,Ti_3(Si,Al)C_2多孔材料腐蚀行为呈抛物线规律,在0.001 mol/L盐酸溶液中质量损失最少,为多孔Ti材料的29%。Ti_3(Si,Al)C_2多孔材料的孔结构在0.001 mol/L盐酸中最大孔径及透气度变化分别为1.06%,9.4%,随酸度增大变化不大,表现出优异的孔结构稳定性。电化学极化曲线拟合结果表明,Ti_3(Si,Al)C_2多孔材料自腐蚀电位在0.01,0.1和1 mol/L盐酸溶液中随酸浓度的升高而负移,自腐蚀电流密度随酸度提高而增加,且材料在0.01 mol/L盐酸溶液中的抗腐蚀性能最佳,自腐蚀电位及电流密度分别为161 mV,7.802×10^(-4) mA·cm^(-2)。结合静态腐蚀浸泡实验和电化学腐蚀测试结果,Ti_3(Si,Al)C_2多孔材料表现出优异的抗盐酸腐蚀性能。

金刚石含量与粒度对自蔓延高温烧结钛铝碳结合剂/金刚石复合材料组织与形貌的影响

采用Ti、Al、石墨和金刚石粉体为原料,通过自蔓延高温烧结制备Ti2AlC结合剂/金刚石复合材料,研究金刚石含量和粒度对该复合材料的物相组成与显微形貌的影响。结果表明,原料粉末发生自蔓延反应,可生成Ti2AlC基体相,同时亦生成TiC和Al_3Ti相。金刚石粒度较细(W5)时,金刚石表面C元素充分地与Ti反应生成TiC,同时基体主相变成TiC和Al,没有Ti_2AlC形成。当金刚石粒度较粗(30/40目)时,基体的主相为Ti_2AlC;金刚石与基体结合紧密。当添加金刚石粒度为120/140目时,基体的主相为Ti_2AlC和TiC。当采用170/200目金刚石为原料时,研究金刚石含量对复合材料基体组成与显微组织的影响时,发现原料中添加10%与20%的金刚石后得到的样品基体的主相为Ti_2AlC、TiC和Al3Ti相与金刚石;金刚石表面均包覆着良好的TiC与Ti_2AlC组织。但是当金刚石含量增加至30%时,基体的主相为TiC,同时含有少量的Ti_2AlC、Ti和Al_3Ti等相;金刚石表面受到一定程度的侵蚀,被一些TiC晶粒所包裹。提出一个Ti-Al-石墨-金刚石体系的自蔓延反应机制,即Ti和Al首先发生化学反应,生成Al_3Ti并放出大量的热,然后,原料中的石墨与金刚石表面转变的石墨都与Ti反应形成TiC,TiC与周围的Ti-Al相不断反应形成Ti2AlC。最后,基体主相为Ti_2AlC,金刚石表面亦形成Ti2AlC。

碳含量和氮气压力对Ti2Al（C,N）合成的影响

在不同碳含量和氮气压力的条件下,采用热压烧结合成Ti2Al(C,N)。使用X射线衍射(XRD)分析物相,三点抗弯测试强度并用扫描电镜(SEM)分析断口形貌,结果表明:碳含量对纯Ti2Al(C,N)相的生成无明显影响,高氮气压力有利于合成纯Ti2Al(C,N),却不利于试样的致密化,密度、晶体发育程度和杂相共同影响试样的强度。实际碳含量与理论碳含量比例为0.6,氮气压力40 kPa条件下烧结试样为Ti2Al(C,N)/TiAl复合材料,其抗弯强度最高,可达330 MPa。

热压烧结温度对两种金属陶瓷组织性能的影响

金属陶瓷材料具有高硬度、高热稳定性和高耐磨性,提高金属陶瓷材料断裂强度和断裂韧性具有重要应用意义。本文采用粉末冶金热压烧结方法制备了Al2O3+Ti(C,N)和Al2O3+WC两种金属陶瓷材料。通过单边切口梁(SENB)法和三点弯曲等力学性能测试方法探讨了热压温度对两种金属陶瓷材料的力学性能的影响,利用X射线衍射、扫描电镜(SEM)分析了物相组成和断口显微结构。实验结果表明:Al2O3+Ti(C,N)金属陶瓷随着烧结温度的升高,力学性能升高。而Al2O3+WC金属陶瓷随着烧结温度的升高,力学性能下降,在1400℃、10MPa烧结保温15min下力学性能较好。Al2O3+WC金属陶瓷900℃热压缩断裂强度比1000℃热压缩断裂强度高。