TiB2-B4C复合陶瓷动态压缩特性研究

为分析TiB2-B4C复合陶瓷的静动态力学性能及添加剂TiB2的影响机制,设计了静动态压缩实验和平板撞击实验,开展了复合陶瓷在不同应变率下的动态压缩特性研究。结果表明:一维应力波加载下TiB2-B4C复合材料具有陶瓷材料的脆性特征,应力-应变曲线呈典型的线性关系;由一维应变加载下试样的自由面速度历程可知,复合材料的Hugoniot弹性极限在14.98~16.91 GPa之间,且随着应变率的增加而增加;应变率低于103s-1时,TiB2-B4C复合材料的动态压缩强度高于单相B4C和单相TiB2陶瓷,且具有正相关的应变率敏感性,复合材料强度的提升得益于微观结构的改善,而应变率敏感性主要受添加剂TiB2的强化增韧媒介影响;然而,应变率高于104s-1时,TiB2-B4C复合材料的Hugoniot弹性极限接近基体B4C陶瓷,而受添加剂TiB2的影响较小。

TiB2-B4C陶瓷复合材料高压烧结与性能表征

在5.0 GPa及1500~2000℃的压力和温度条件下,采用高压烧结的方法制备了B4C含量分别为10%和30%的TiB2-B4C陶瓷复合材料。对TiB2-B4C陶瓷复合材料的物相、显微结构、密度、硬度、热导率、电阻率等进行了分析。结果表明:材料在高压下没有发现化学反应生成新的相;TiB2-B4C陶瓷复合材料具有较高的致密性,没有明显的气孔;TiB2-30%B4C在1800℃下硬度最高,在4.9 N载荷下可达27.8 GPa,在9.8 N载荷下可达24.3 GPa;在常温下,热导率可达30.42 W/(m·K)。

层厚比和硬夹层组成对B4C-BNNTs/TiB2-B4C层状陶瓷复合材料性能的影响

以B4C为基体层材料,BNNTs为基体层补强增韧剂,TiB2为硬夹层,采用水基流延成型和热压烧结工艺制备了B4C-BNNTs/TiB2-B4C层状陶瓷复合材料。研究了基体层与硬夹层的层厚比、硬夹层组成和烧结温度对层状陶瓷复合材料的显微结构和力学性能的影响。实验结果表明：当层厚比为1,硬夹层组份为80 wt%TiB2＋20 wt%B4C,烧结温度为2050℃时,可以制备出力学性能良好的B4C-BNNTs/TiB2-B4C层状陶瓷复合材料,其抗弯强度和断裂韧性分别达到570.54 MPa和7.74 MPa·m^1/2。

等离子加热反应合成TiB_2-B_4C-Fe_3(C,B)复合材料研究

以Ti、B4C和Fe粉为原料,采用等离子束加热反应合成TiB2-B4C-Fe3(C,B)复合材料,并研究复合材料的物相、组织结构和显微硬度。结果表明:反应生成物相主要有TiB2、B4C以及Fe3(C,B)。由于等离子束的快速加热、冷却以及散热具有方向性,板条状TiB2晶粒沿散热最快的方向生长,与白色的Fe3(C,B)相间分布,未反应的B4C被挤压在板条之间;等离子束电流影响单位时间内输入试样的热量,电流越大越有利于TiB2的长大,但降低复合材料硬度。

TiB_2-B_4C陶瓷复合材料的微观组织和机械性能

研究了TiB_2/B_4C复合材料的显微组织和力学性能,发现含有20-30wt-％B_4C的TiB_2材料,强度和硬度均有显著地提高,而原有较高的K_(IC)值保持不变。TiB_2-30wt-％B_4C抗弯强度达到782MPa,维氏硬度达到26.2GPa,断裂韧性为7.2MPam^(1/2);而单相TiB_2材料的强度、硬度和断裂韧性分别为450MPa,21GPa和7.0MPam^(1/2)。本文还对强化及裂纹扩展机理进行了探讨。

热压C-SiC-B_4C-TiB_2复合材料的组织与力学性能

以磷片石墨Cfg,SiC,B4C和TiO2为原料,热压合成C-SiC-B4C-TiB2复合材料,研究不同Cfg含量和热压温度对复合材料显微组织和力学性能的影响规律。结果表明:烧结过程中TiO2与B4C反应原位生成TiB2;复合材料的密度和抗弯强度随着热压温度的升高而增加,却随着Cfg含量的增加而降低,随着热压温度的升高和Cfg含量的增加,复合材料的断裂韧性则提高;在2 000℃,25 MPa下热压时,Cfg含量为20%(质量分数)的复合材料其体积密度为2.81 g/cm3,抗弯强度为236.7 MPa,断裂韧性为5.3 MPa.m1/2,Cfg含量为65%含量的复合材料的体积密度为2.42 g/cm3、抗弯强度为103.6 MPa、断裂韧性为8.1 MPa.m1/2;复合材料的致密化程度和陶瓷晶粒随热压温度的升高而增大,复合材料中Cfg层状分布结构随Cfg含量的增加更加明显;复合材料中Cfg弱界面分层诱导韧化作用及第二相TiB2和陶瓷基体热膨胀系数不匹配所产生的残余应力导致的裂纹偏转作用是复合材料断裂韧性提高的主要原因。

TiB_2-B_4C陶瓷刀具切削Inconel 718合金的切削性能与磨损机制

采用热压烧结法制备了组成(体积分数,下同)为80%TiB_2-20%B_4C(TB2)和20%TiB_2-80%B_4C(TB8)的陶瓷并制成刀具,分别在切削速度为50 m·min-1和150 m·min-1下对Inconel 718合金进行切削加工,研究了陶瓷刀具的切削性能和磨损机制,并与YG硬质合金刀具的进行了对比。结果表明:TB2陶瓷的抗弯强度和维氏硬度均低于TB8陶瓷的,但断裂韧度比TB8陶瓷的高约26%;在两种切削速度下,TB2陶瓷刀具的寿命最长,约为TB8陶瓷刀具和YG硬质合金刀具的2倍;TB2陶瓷刀具后刀面和刀尖的磨损机制主要为黏结磨损,边界沟槽的形成机制主要为轻微崩刃和冷焊层剥落;TB8陶瓷刀具后刀面和刀尖的磨损机制主要为崩刃,边界沟槽的形成机制主要为崩刃和冷焊层成片剥落。

以Ni/Al为助剂的TiB_2-B_4C陶瓷刀具制备及其切削钛合金性能研究

以Ni/Al为助剂在1800℃热压烧结制备了Ni/Al含量分别为0vol%(TB)、5vol%(TBNA5)和10vol%(TBNA10)的TiB_2-B_4C刀具材料,研究了其致密化机理、显微结构、力学性能和切削削钛合金(Ti6Al4V)的性能。结果表明,5vol%Ni/Al助剂的引入将TiB_2-B_4C的相对密度从80%提高到96%,所制备的TBNA5刀具的抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分别为711 MPa、4. 6 MPa·m^(1/2)和22. 7 GPa,Ni/Al助剂的引入显著改善了TiB_2-B_4C陶瓷的致密化和抗弯强度,但是进一步增加Ni/Al助剂的含量(10vol%),将降低其抗弯强度和硬度。切削性能研究表明,与硬质合金刀具相比,Ti B_2-B_4C陶瓷刀具切削Ti6Al4V的初期磨损较快,但由于更好的高温性能,其后期磨损更慢,且磨损速率更加稳定,其主要磨损机理为粘结磨损和微崩刃,其中含5vol%Ni/Al助剂的TiB_2-B_4C陶瓷刀具有相对较好的切削性能。

热压合成C-B_4C(TiB_2)-SiC复合材料的氧化行为

以1950℃下原位合成热压烧结生成的C-B4C(TiB2)-SiC复合材料在600℃,800℃,1000℃,1200℃,1400℃空气中的恒温氧化行为,TG/DTA实验为基础,结合材料的显微结构,研究了不同温度区间复合材料在静态空气中的氧化机理,计算出氧化反应激活能,并对氧化层表面的相组成形貌以及氧化层剖面的显微组织进行了分析。结果表明该复合材料的氧化动力学曲线主要为抛物线形。扫描电镜照片显示氧化剖面层分成3层,不同的氧化温度,其表面氧化膜有不同的缺陷。

B_4C-BNNTs/TiB_2-B_4C层状复合材料层间残余应力分析及界面组成优化

采用ANSYS软件对B_4C-BNNTs/TiB2-B_4C层状复合材料中硬夹层含不同体积分数B_4C时的残余应力进行了分析,结果表明,随着B_4C含量的增加,复合材料的层间残余应力呈下降趋势。基于分析结果,采用热压烧结工艺制备了硬夹层含不同体积分数B_4C的复合材料样品。研究了B_4C体积分数对B_4C-BNNTs/TiB_2-B_4C层状复合材料层间残余应力、界面结合情况、相对密度及力学性能的影响。结果表明:当B_4C含量为15 vol%时,可得到最佳结果,此时材料的相对密度、抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分别为99.1%、509 MPa、7.49 MPa·m^(1/2)和38.6 GPa。

水基流延成型和热压烧结制备TiB_2/B_4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的研究

以二硼化钛(TiB_2)为硬夹层,硅(Si)粉为基体层碳化硼(B4C)的烧结助剂,氮化硼纳米管(BNNTs)为基体层的补强增韧剂,聚乙烯亚胺(PEI)为分散剂,羧甲基纤维素钠(CMC)为粘结剂,甘油为增塑剂,采用水基流延成型工艺制备TiB_2流延膜。研究了分散剂含量、粘结剂含量、增塑剂与粘结剂质量比值(R值)以及固相含量对TiB_2流延浆料流变性的影响。实验结果表明:当PEI含量为2wt.%,CMC含量为5wt.%,R值为0.9,固含量为55 wt.%时可制备出高质量的TiB_2流延膜。与本实验室已制备的B_4C-BNNTS流延膜以不同层厚比进行叠层、热压烧结制备出TiB_2/B_4C-BNNTs层状陶瓷复合材料。实验结果表明:当基体层与硬夹层的层厚比为1.8:1时,预制体于2040℃、30 MPa下热压烧结30 min制备的TiB_2/B_4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的力学性能最佳,其抗弯强度和断裂韧性分别达到598.63 MPa和7.84 MPa·m^(1/2)。

TiB_2含量对原位反应合成TiB_2/B_4C复合材料的组织结构和力学性能的影响(英文)

以B4C,TiO2和石墨粉为原料,采用原位反应热压烧结工艺(2050℃,35MPa,1h)制备了致密的TiB2含量为10%～40%(体积分数)的TiB2/B4C复合材料,并对复合材料的组织结构和力学性能进行了研究。扫描电子显微镜和透射电子显微镜分析结果表明:在B4C晶内及晶界处均匀分布着纳米或亚微米级的TiB2颗粒,随着TiB2含量的增加,弹性模量和断裂韧性明显增大,而弹性模量和抗弯强度却随之减小。40%(体积分数)TiB2/B4C复合材料具有高的断裂韧性,高达8.2MPam1/2,主要增韧机制由微裂纹增韧和裂纹偏转增韧。

共沉淀法原位合成无压烧结TiB_2/B_4C陶瓷复合材料

以TiCl4溶液和B4C粉末为主要原料,采用共沉淀、原位合成无压烧结技术制备了TiB2/B4C陶瓷复合材料。研究了原料配比、烧结温度对TiB2/B4C陶瓷复合材料的烧结性能、显微组织和力学性能的影响。通过X射线衍射、金相显微镜、扫描电镜等分析手段,分析了TiB2/B4C陶瓷复合材料的物相组成、显微组织和断裂特征。研究结果表明:当成分质量配比TiB2:B4C为40:60时,材料最大相对密度为98.5%T.D;在最佳成分配比下,随着烧结温度的升高,原位合成制备的TiB2/B4C陶瓷复合材料的密度、硬度、抗弯强度均为先升高后降低,材料的最佳烧结工艺为2050℃,1h。在最佳烧结工艺下,TiB2/B4C陶瓷复合材料的密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性达到最佳值分别为3.17g/cm3,31.5GPa,381MPa和5.1MPa·m1/2。

TiB_2含量对B_4C-TiB_2-Al复合材料组织与力学性能的影响

通过在B_4C-TiB_2预烧体中真空熔渗Al制备了B_4C-TiB_2-Al复合材料,研究了TiB_2含量对复合材料显微组织和力学性能的影响.结果表明:B_4C-TiB_2-Al复合材料主要由B_4C,TiB_2,Al和Al_3BC等相组成;随着TiB_2含量的增加,复合材料的HRA硬度逐渐降低,抗弯强度逐渐增大,断裂韧性先增大后稍微降低,当TiB_2含量为40%(质量分数)时,复合材料的气孔率、硬度HRA、抗弯强度和断裂韧性分别为1.32%,80.3,559.4 MPa和7.83 MPa·m^(1/2);延性Al的加入、裂纹的偏转和分叉、B_4C和TiB_2晶粒的细化以及B_4C基体和TiB_2晶粒热膨胀的不匹配,是造成材料断裂韧性提高的主要原因;随着Al渗入量的增加,复合材料断口中金属撕裂棱及韧窝的比例增加.

力学性能对B_4C/TiB_2基陶瓷喷嘴抗冲蚀特性的影响

采用压痕断裂力学研究了B4C/TiB2基陶瓷喷嘴(B4C/TiB2/Mo和B4C/TiB2/Al2O3)力学性能对抗冲蚀特性的影响,从力学的角度分析了采用SiC磨料和Al2O3磨料时,B4C/TiB2基陶瓷喷嘴抗冲蚀特性产生显著差异的原因。结果表明,B4C/TiB2基陶瓷喷嘴的体积冲蚀磨损率随lnH和lnKIC增加呈线性降低;ln(Hp/H)=1.1是B4C/TiB2基陶瓷喷嘴软硬颗粒磨损的分界线。当使用SiC作为磨料时冲蚀磨损较为严重,因为ln(Hp/H)>1.1,即SiC对于B4C/TiB2基陶瓷喷嘴的冲蚀磨损为硬颗粒磨损;而Al2O3磨料造成冲蚀磨损较轻,因为ln(Hp/H)<1.1,此时的磨损属于软颗粒磨损。

原位反应生成TiB_2对B_4C/TiB_2复合陶瓷力学性能和结构的影响

研究了原位反应生成TiB2对B4C/TiB2复合陶瓷维氏硬度、断裂韧度、抗弯强度和微观结构的影响。结果表明,适量TiB2的生成可以抑制B4 C/TiB2复合陶瓷晶粒的长大,可使材料获得均匀致密的显微组织结构;而且原位反应的发生促使B4 C/TiB2复合陶瓷断裂机制由穿晶断裂为主转变为穿晶与沿晶结合的断裂机制。B4 C和TiB2晶粒尺寸都随着原位生成TiB2含量的增加而降低。B4C/TiB2复合陶瓷的抗弯强度随晶粒增大而降低,其断裂韧度随晶粒尺寸的变化关系较为复杂,这种变化关系主要与断裂韧度对裂纹扩展路径长度的依赖性有关,本文利用裂纹扩展阻力(R)曲线的斜率解释了这种变化。

B_4C/TiB_2层状复合陶瓷的制备与性能研究

以工业碳化硼和硼化钛粉末作为原料,采用水基流延成型和热压烧结方法制备了B4C/TiB2层状复合陶瓷。研究了层厚比、层数和B4C/(1-X)wt%TiB2+Xwt%B4C层状复合陶瓷的夹层组分与力学性能之间的关系。探讨了B4C/(1-X)wt%+Xwt%B4C层状复合陶瓷的增韧机理。

B_4C量对TiC-TiB_2颗粒增强金属基复合材料涂层制备的影响

对Al-B4C体系下B4C的量与原位内生TiC-TiB2颗粒增强金属基复合材料涂层制备之间的关系进行了研究。结果表明,Al:B4C质量比大于9:1可制备出高质量的TiC-TiB2颗粒增强金属基复合材料涂层,提高Al:B4C质量比虽有利于涂层的制备,但不利于涂层中增强相体积分数的提高。Al在涂层制备过程中的作用主要是降低单位体积内参加反应物的量、降低生成TiC-TiB2反应的门槛温度和充当除氧剂的作用,为涂层的制备提供了一种更加便利的途径。

TiB_2含量和烧结温度对B_4C/Al_2O_3基复合陶瓷的影响

利用原位反应热压工艺制备了B4C/Al2O3基复合陶瓷,研究了TiB2含量和烧结温度对B4C/Al2O3基复合陶瓷力学性能和微观结构的影响。结果表明,当TiB2含量低于8.7%时,随原位反应生成的TiB2含量的增加,有效的促进了B4C/Al2O3/TiB2复合陶瓷的烧结,提高相对密度,改善了力学性能。当烧结温度低于1900℃时,其力学性能随烧结温度增加而提高;当超过1900℃时,其力学性能随烧结温度的提高而降低。在1900℃,60 min时,B4C/Al2O3/TiB2复合陶瓷获得最佳综合力学性能,其硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为24.8 GPa、4.82 MPa.m1/2和445.2 MPa。

B_4C-TiB_2复相陶瓷材料的研究进展

往B4C中添加适量TiB2形成B4C-TiB2复相陶瓷既可以保留B4C的超硬、低密度等优良性能,又可通过提高陶瓷材料的致密度来改进材料的力学性能,还可降低材料的电阻率使其满足电火花加工的要求,因此B4C-TiB2复相陶瓷是最具有潜力的一类B4C基复合材料。本文从粉体制备、烧结致密化、显微结构、力学性能、电学及加工性能等方面就B4C-TiB2复相陶瓷的最新研究进展作了系统的阐述并对其发展方向做了展望。