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。

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。

烧结氧分压对25(20Ni-Cu)/(10NiO-NiFe_(2)O_(4))金属陶瓷微观结构及其力学与电学性能的影响

为提高金属陶瓷的相对密度,优化物相组成,采用可控氧分压烧结制备名义成分为25(20Ni-Cu)/(10NiO-NiFe_(2)O_(4))的金属陶瓷,并基于Fe-Ni-O三元相平衡热力学,探究烧结氧分压对材料微观组织、力学与电学性能的影响,揭示不同烧结氧分压下,金属陶瓷的失氧反应与组织演变机制。研究结果表明,烧结氧分压影响了尖晶石相的分解和金属相的氧化过程,进而决定金属陶瓷的平衡相组成;当氧分压为2.1~12.1 Pa时,NiFe_(2)O_(4)相有一定程度的分解,且金属相含量高于标准含量,经1250℃烧结后,金属陶瓷的平衡相组成为CuNiFe-NiO-NiαFe_(3−α)O_(4)。金属陶瓷的力学性能和电导率均随氧分压的升高而降低,当氧分压为2.1 Pa时,样品相对密度最高,达99.7%,抗弯强度达176.86 MPa,室温电导率为14 S·cm^(-1)。

表面等离子渗氮对TiAlN涂层TiCN基金属陶瓷性能的影响

针对TiCN基金属陶瓷,调节不同N_(2)/Ar流量比对其进行等离子渗氮,并在渗氮样品表面沉积TiAlN涂层。采用GIXRD、EDS、SEM、HR-TEM、划痕测试、纳米压痕测试和光学图像测试仪等研究了渗氮过程N_(2)/Ar流量比对涂层组织结构、膜基界面状态、力学性能和涂层金属陶瓷刀片切削性能的影响。结果表明,随着N_(2)/Ar流量比的提高,TiAlN涂层晶粒逐渐细化,涂层厚度不断降低,基体表面仍有黏结相残留,进而影响表面涂层的生长和性能。当N_(2)/Ar流量比为1时,膜基界面处存在硬质相生长区和富黏结相生长区两种涂层生长区域,涂层在硬质相表面为共格外延生长,富黏结相区域存在原子排列紊乱的过渡区,涂层为半共格外延生长;涂层(200)晶面取向最强,织构系数为1.91;涂层硬模比(H/E)最高,为0.094。当N_(2)/Ar流量比为2时,TiAlN涂层的硬度和弹性模量均最高,分别为34.15GPa和416.64GPa。在切削加工过程中,切削接触区域主要发生磨粒磨损和粘着磨损。当N_(2)/Ar流量比为1时,涂层TiCN基金属陶瓷刀片切削性能最佳。

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.

异质结构Ti(C,N)-(Fe)CoCrNi基金属陶瓷及其电化学腐蚀行为

采用(Fe)CoCrNi高/中熵合金雾化粉末原料,制备Ti(C_(0.5),N_(0.5))-20%WC-8%TaC-5%Mo_(2)C-22%FeCoCrNi(A)和Ti(C_(0.5),N_(0.5))-20%WC-8%TaC-5%Mo_(2)C-22%CoCrNi(B)金属陶瓷,采用具有相同黏结金属体积分数的Ti(C_(0.5),N_(0.5))-20%WC-8%TaC-5%Mo_(2)C-12%Co-12%Ni(C)金属陶瓷作为对比合金。电化学实验结果表明,尽管金属陶瓷A和B中存在脱碳相(η相)和微观结构均质性较差等问题,在H_(2)SO_(4)(pH=1)、Na_(2)SO_(4)(pH=7)和NaOH(pH=13)溶液中,相较于无微观组织结构缺陷的金属陶瓷C,金属陶瓷A和B在3种介质中平均自腐蚀电流密度J_(corr)分别降低33%和88%,平均电荷转移电阻Rct分别提高97%和219%,微观组织结构缺陷不影响其耐蚀性改善;在H_(2)SO_(4)中,金属陶瓷B的J_(corr)降低89%,Rct提高750%,CoCrNi中熵合金黏结金属能显著改善金属陶瓷在强腐蚀性介质中的耐蚀性。从高、中熵合金本征特性,合金体系润湿性等视角分析了金属陶瓷A和B中η相形成伴随的异质结构形成机理。

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。

水轮机过流部件Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷覆层制备及组织性能研究

本文通过1200℃热等静压工艺在水轮机过流部件06Cr13Ni4Mo钢表面制备Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷覆层,采用OM、SEM和EDS对金属陶瓷覆层的组织及其与基体的冶金结合进行表征,采用硬度仪检测覆层的显微维氏硬度。结果表明:Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷覆层组织均匀,与钢基体完全融合,微观组织由硬质相和基体相组成,硬质相主要呈等轴块状和少量长条状,均匀分布于基体中;覆层组织的显微维氏硬度为1180 HV1。热等静压后不锈钢基体的强度、硬度降低,塑韧性提高。

纳米HfC对微波烧结TiB_(2)基金属陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响

采用微波烧结技术快速制备一种力学性能良好的TiB_(2)基金属陶瓷刀具材料,研究了纳米HfC含量对金属陶瓷力学性能和微观组织的影响,分析了微观组织和力学性能之间的关系,揭示了纳米HfC对金属陶瓷刀具材料的增强补韧机理。结果表明:加入纳米HfC可显著提高材料的断裂韧度和抗弯强度,含20wt.%HfC的金属陶瓷断裂韧度和抗弯强度相较于未加HfC的断裂韧度和抗弯强度分别提高了36.7%和45.4%,断裂韧度高达10.68MPa·m^(1/2)±0.30MPa·m^(1/2);随着纳米HfC含量的增加,TiB_(2)基体晶粒由粗大、无规则形状向细小、矩形形状转变,平均晶粒尺寸可缩小到原来的1/2.6;TiB_(2)-TiC-HfC金属陶瓷的主要增强补韧机理为细晶强化、颗粒弥散强化、固溶强化、裂纹偏转和钉扎效应。

TiC对激光熔覆Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷组织和性能的影响

Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷具有高硬度,优异的耐磨、耐腐蚀性能,应用前景广阔。文中对激光熔覆制备Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷进行了研究,采用扫描电镜(SEM)及其附带的能谱(EDS)、X射线衍射仪、硬度计及磨损试验等手段,研究了粉末中TiC加入量对熔覆层组织与性能的影响。结果表明,通过熔池的冶金反应原位合成获得了以Mo_(2)FeB_(2)为硬质相的熔覆层;随着粉末中TiC添加量的增加,硬质相由不添加TiC的细长条状变为块状,且尺寸逐渐减小;添加5%TiC粉末时,熔覆层的显微硬度最高,达到994HV,其耐磨性是Q235的3.27倍,主要为粘着磨损,母材Q235为磨料磨损。

金属陶瓷发热体电阻温度系数的高效测定研究

采用了一种全新的方法对金属陶瓷发热体的电阻温度系数(Temperature Coefficient of Resistance,TCR)进行检测。该法利用外加电源对发热体进行动态升温,并连续监测发热体的温度和阻值变化,通过最小二乘法拟合电阻-温度数据,进行数学计算得到TCR值。研究进一步分析了影响检测稳定性的因素,包括红外聚焦方法、测温点位置、连接点位置及输出电压的选择,并验证了新方法测得的数据准确性与重复性。结果表明,新方法与国标法测试结果基本一致,但具有检测时间短、检测限高、检测数据点多等优势,适用于快速批量测试金属陶瓷发热体的TCR值。

(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。

Nb添加量对金属陶瓷显微组织和磁学性能的影响

Ti(C,N)基金属陶瓷具有硬度高、耐蚀性好及密度低等一系列优点,在工业领域具有广泛的应用前景。但它室温时易呈铁磁性,阻碍了其进一步推广应用。采用粉末冶金法制备了系列TiC-l0TiN-xNb-30Ni-4C(摩尔分数)金属陶瓷,用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)、物理性能测试系统(PPMS)、洛氏硬度计和万能试验机研究了金属陶瓷的磁学性能、力学性能以及显微组织在不同Nb添加量下的变化。结果表明,所有金属陶瓷由陶瓷晶粒和Ni基粘结相组成,添加的Nb组元在烧结过程中基本完全固溶于粘结相和陶瓷相。整体上,陶瓷晶粒随着Nb添加量的增加变细。未添加Nb的金属陶瓷呈现典型的铁磁性,当Nb添加量为8%(摩尔分数)时,金属陶瓷转变为顺磁性。随着Nb添加量的增加,Ti(C,N)基金属陶瓷的室温饱和磁化强度和剩磁都呈现下降趋势,然后逐渐趋近于0。Nb含量的增加,也使得Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度和硬度呈现先增加后逐渐减小的趋势。当Nb含量为4%(摩尔分数)时,Ti(C,N)基金属陶瓷保持较好的抗弯强度(1 470 MPa)和硬度(87.0 HRA)。研究可为制备无磁金属陶瓷提供一定的理论依据。

WC与钼质量比对TiC基金属陶瓷显微组织和性能的影响

制备了WC和钼总质量分数为8%,WC与钼质量比分别为1:4,2:3,3:2,4:1的TiC基金属陶瓷,研究了WC与钼质量比对试样显微组织和性能的影响。结果表明:不同WC与钼质量比试样中的硬质相均为芯-环结构,芯相主要为TiC,环相为(Ti,M)C(M为Mo,W,V);当WC与钼质量比大于1时,黏结相中原位析出(Ti,M)C纳米颗粒;随着WC与钼质量比增加,试样的抗弯强度、断裂韧度和硬度均先增大后减小,密度增加,当WC与钼质量比为3:2时,TiC基金属陶瓷的综合性能最佳,密度较高,硬度、抗弯强度、断裂韧度最大,分别为1546 HV,1200 MPa,6.61 MPa·m^(1/2);当WC与钼质量比小于1时,弯曲时试样中的硬质相发生穿晶断裂形成解理断面,黏结相发生撕裂变形形成粗糙断面;当WC与钼质量比大于1时,纳米颗粒从黏结相中拔出形成韧窝,WC与钼质量比越大,断口上的韧窝比例越少。

TiCN/α-Al_(2)O_(3)/TiN涂层金属陶瓷刀片的切削行为研究

表面涂层是提高金属陶瓷刀片使用寿命和加工质量的重要手段。采用MT-TiCN和织构α-Al_(2)O_(3)涂层工艺制备TiCN/α-Al_(2)O_(3)/TiN涂层金属陶瓷刀片,并研究其微观结构、切削性能与磨损机理。结果表明,与CCX涂层金属陶瓷相比,TiCN/α-Al_(2)O_(3)/TiN涂层金属陶瓷的结合强度更高,且氧化铝具有(001)强取向。与MC5015涂层硬质合金相比,自制的CD系列涂层金属陶瓷刀片在微观结构、织构系数、耐磨性方面还存在一定的差异。在切削过程中,TiCN/α-Al_(2)O_(3)/TiN多层涂层金属陶瓷刀片出现了积屑瘤、沟槽磨损、涂层剥落以及微崩刃等磨损特征,造成涂层金属陶瓷刀片失效的主因是磨粒磨损和黏结磨损。不同氧化铝织构的涂层金属陶瓷刀片在切削过程中形成的沟槽磨损形貌不同。

分子动力学模拟及其在金属陶瓷复合材料中的应用现状

综述了分子动力学模拟的应用现状,主要对分子动力学模拟在界面、晶面缺陷、材料力学性能三个方面的研究做了介绍,对分子动力学模拟在金属陶瓷复合材料制备和研究中的应用做了总结,并对其应用前景进行了展望。

以高熵合金为黏结相的金属陶瓷研究进展

近20年,许多研究者针对以高熵合金为黏结相的金属陶瓷开展了大量的研究,取得了许多有益的成果。本文系统综述了用作金属陶瓷黏结相的高熵合金制备方式,以及高熵合金黏结相金属陶瓷烧结制备技术,评价了烧结温度、烧结时间、碳含量、黏结相成分、黏结相含量等工艺参数对高熵合金黏结相金属陶瓷微观结构、力学性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能的影响,可为高熵合金黏结相金属陶瓷的研究提供参考。

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)。

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。