Ti(C,N)基金属陶瓷的高温力学性能

此文评述了Ti（C，N）基金属陶瓷的组织与制备工艺，重点讨论了Ti（C，N）基金属陶瓷的高温力学性能，并展望其应用前景．     

陶瓷相原始粉末粒度对Ti（C，N）基金属陶瓷组织和性能的影响

采用粉末冶金法制备了超细晶Ti（ C, N）基金属陶瓷和纳米改性Ti（ C, N）基金属陶瓷试样和刀具。研究了陶瓷相粉末粒度对Ti（ C, N）基金属陶瓷显微组织、力学性能及其刀具耐磨损性能的影响。结果表明,超细晶Ti（ C, N）基金属陶瓷和纳米改性Ti（ C, N）基金属陶瓷的硬质相均具有黑芯/灰壳和白芯/灰壳两种显微结构。超细晶Ti（ C, N）基金属陶瓷中白芯/灰壳结构硬质相晶粒较多,而纳米改性Ti（ C, N）基金属陶瓷中硬质相晶粒主要为黑芯/灰壳结构。与超细晶Ti（ C, N）基金属陶瓷相比,纳米改性Ti（ C, N）基金属陶瓷具有较高的抗弯强度和断裂韧度以及较低的硬度和孔隙度。纳米改性Ti（ C, N）基金属陶瓷刀具具有较长的使用寿命,约为超细晶Ti（ C, N）基金属陶瓷刀具使用寿命的2．3倍。     

合金化元素Ti对Laves相Cr_2Nb力学性能及耐蚀性的影响

采用真空非自耗电弧熔炼工艺制备了Cr2Nb-XTi(X=5,10,15,at%)合金,利用光学显微镜(OM),X射线衍射(XRD)仪,扫描电镜(SEM)对电弧熔炼态铸锭的组织进行了研究,探讨了合金化元素Ti的含量对Laves相Cr2Nb力学性能及耐蚀性的影响。结果表明:3种成分的电弧熔炼态合金凝固组织主要由C15-Cr2(Nb,Ti)相和六方的β-(Ti,Nb)以及体心立方结构的β-(Nb,Ti)相组成。在5Ti和10Ti合金冷速较小的铸锭上部凝固组织中出现了亚稳相C14-Cr2(Nb,Ti)。通过对合金力学性能研究表明,随合金化元素Ti含量的增加,Laves相Cr2Nb合金的显微硬度逐渐降低,断裂韧性增大,当Ti含量达到15at%时,合金的断裂韧性达到了3.1 MPa·m1/2,比单相Laves相Cr2Nb提高1倍。另外,对腐蚀性能的测试表明,Ti含量增加材料腐蚀性能下降,但15Ti合金仍表现出良好的耐蚀性。     

(Ti,V)C颗粒增强铁基复合材料显微组织的研究

采用粉末冶金与原位合成相结合的方法制备了不同V/Ti原子比的（Ti，V）C／Fe基复合材料，用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）研究了该复合材料的物相结构和显微组织。研究结果表明：原位合成的（Ti，V）C增强相颗粒细小，大部分小于2μm，在α-Fe基体中均匀分布。随着V，Ti比的提高，（Ti，V）C晶格常数减小，且呈线性下降，（Ti，V）C增强相颗粒形态由不规则状趋于球形。     

电弧离子镀(Ti,Nb)N硬质薄膜断裂韧性对摩擦学性能的影响

利用电弧离子镀方法，对独立的Ti靶和Nb靶的弧电流进行控制，在高速钢（HSS）基体上制备了不同成分配比的（Ti，Nb）N薄膜。采用压痕试验和滑动摩擦磨损对（Ti，Nb）N薄膜的断裂行为与摩擦学性能进行了研究。试验结果显示：在较小的载荷条件下（F=300N），膜层的显微硬度起主要作用；而在较高的载荷条件下（凡=60HDN），膜层的断裂性能起主要作用。梯度薄膜在较大的载荷条件下，具有良好的滑动摩擦性能。     

原位反应铸造法制备Ti(C,N)颗粒增强铁基复合材料的研究

结合我国资源特点,以45钢、钛铁、生铁等为主要原料,研究了在大气环境下采用原位反应铸造法制备Ti(C,N)颗粒增强铁基复合材料的工艺方法。结果表明,利用中频感应电炉熔炼合金,通过向铁液中添加含氮附加物原位反应铸造法制备Ti(C,N)颗粒增强铁基复合材料的技术是可行的;复合材料组织由细粒状珠光体加上针状珠光体基体和Ti(C,N)增强颗粒组成;材料铸态综合力学性能得到了最优的组合:抗弯强度1 532.67 MPa,洛氏硬度58.5 HRC,冲击韧度7.18 J/cm2。     

钛钒的量之比对(Ti,V)C基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

以TiC、VC、Co、Ni为原料,通过粉末冶金的方法制备了(Ti,V)C基金属陶瓷,结合XRD、SEMEDS及力学性能测试研究了n_(Ti)/n_V对(Ti,V)C基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响以及(Ti,V)C基金属陶瓷烧结后的物相变化。结果表明:经高温烧结后TiC和VC固溶形成立方相(Ti,V)C。当n_(Ti)/n_V从4增加到15.75时,(Ti,V)C基金属陶瓷的硬度变化波动较小,抗弯强度先增加后降低。当n_(Ti)/n_V=7.35时,(Ti,V)C基金属陶瓷的显微组织得到细化,抗弯强度为1 237 MPa,维氏硬度为1 444 N/mm~2,综合力学性能较佳。     

(W,Ti)C增强Ni-Ti基复合材料的制备

近年来利用自蔓延合成方法 (SHS)制备TiC及复合材料成为材料研究的热点。伊朗学者利用SHS方法进行了Ni -(Ti,W )C和Ni-Ti,(Ti,W )C复合材料制备 ,并对Ni含量和W /Ti变化对显微组织和成分的影响进行了研究。制备试样的Ti,W ,Ni,C粉末纯度分别是 98%,99 9%,96 %,99 8%;其最大尺寸分别为 14 0 μm ,6 3μm ,2 0 0 μm ,3μm ;按照W /Ti原子比从 0 0～ 0 6和Ni含量从 5 %～ 40 %的不同比例预制试样。第一步选择C含量保持C/(Ti+W ) =1 0 ,第二步选C含量C/(Ti +W ) =0 5 ,直径为 1 1cm的未烧结试样密度为理论密度的5 0 %～ 6 0 %…     

Ti(C,N)固溶体的N/C原子比对Ti(C,N)基金属陶瓷组织及力学性能的影响

本文以不同N/C原子比的Ti(C,N)固溶体为硬质相,通过真空烧结制备了Ti(C,N)基金属陶瓷。用三点弯曲法、洛氏硬度计、压痕法分别测得试样的抗弯强度、硬度、断裂韧性,并通过光学金相显微镜、XRD、SEM、EDS等手段研究了Ti(C,N)固溶体的N/C原子比对Ti(C,N)基金属陶瓷组织的影响规律。结果表明:在一定范围内随着N/C原子比的增大,Ti(C,N)固溶体在液相中溶解度下降,环形相的析出受到抑制,使得金属陶瓷的硬质相芯部逐渐细化且分散均匀,环形相厚度减薄。但Ti(C,N)固溶体的N/C原子比为6∶4及以上时,硬质相与液相之间的润湿性较差,使得金属陶瓷孔隙度增加,显微组织中开始出现亮白色的晶粒。随N/C原子比的增大,金属陶瓷的抗弯强度和硬度先增大后降低,断裂韧性逐渐降低。当Ti(C,N)固溶体的N/C原子比为5∶5时,金属陶瓷的综合力学性能最佳,其抗弯强度为2 429 MPa,硬度为92.2 HRA,断裂韧性为8.44 MPa·m~(1/2)。     

热处理对Ti(C,N)颗粒增强铁基复合材料组织和力学性能的影响

研究了Ti(C,N)颗粒增强铁基复合材料的热处理工艺对其组织和性能的影响。结果表明,通过热处理可以显著改变Ti(C,N)颗粒增强铁基复合材料的组织状态,进一步提高Ti(C,N)颗粒增强铁基复合材料的力学性能。Ti(C,N)颗粒增强铁复合材料最佳的热处理制度800℃×1.0 h+550℃×1.0 h油冷,此时复合材料的力学性能得到最好的匹配:抗弯强度1 883.88 MPa、洛氏硬度58.24HRC、冲击韧度18.69 J/cm2。     

Nb，Ti含量对J－90合金凝固偏析的影响

采用电子探针对不同Ｎｂ，Ｔｉ含量的Ｊ－９０合金凝固组织中Ｎｂ，Ｔｉ的面分布及枝干心部元素的化学成分进行了分析。结果表明：随合金中Ｎｂ含量增加，合金中Ｎｂ的偏析趋于严重。而Ｔｉ的分布则趋于均匀化；合金中Ｔｉ量增加时，Ｎｂ，Ｔｉ的偏析均趋于减轻。定量测试发现，当合金中Ｎｂ，Ｔｉ含量增加时，Ｎｂ，Ｔｉ的初凝平衡分配系数均有所增加。通过分析比较还发现，以元素最高含量与最低含量之差作为比较参数，可以合理地反映出合金中元素含量少量调整时元素偏析程度的变化取决于合金中元素的含量和元素分配系数这两个基本因素。同时，实验结果还说明，可以通过降低合金中微量元素含量使凝固时溶质富集层中Ｐ等微量元素含量的降低，使得Ｎｂ，Ｔｉ等易偏析元素的含量相对增加，从而使合金的凝固偏析得以降低。     

Ti(C_xN_(1-x))粉末SHS工艺研究

对Ti（C，N）粉末的高温自蔓延合成工艺做了较系统的试验研究，研究了钛粉及碳黑品种、成分配比；压坯密度；氮气压力等因素对高温自蔓延合成过程及产品性能的影响。结果表明：钛粉粒度对SHS过程影响很大。碳黑种类对反应产物状态（孔隙、游离碳）也有明显的影响。破黑的加入量增加，产物的碳含量也增加，而氮含量则相应减少。随着压坯密度的增加，燃烧波蔓延速度减少，反应产物较硬，且芯部与边缘成分不同。氮气压力增大，产物的氮含量相应提高。通过系统试验，优化了工艺，并研制出了可生产不同C／N比的Ti（C，N）粉末的稳定的生产工艺。     

自蔓延高温合成Ti44Ni47Nb9合金过程中的燃烧界面成分与组织

采用燃烧波淬火法,获得了Ｔｉ４４Ｎｉ４７Ｎｂ９三元系的燃烧波熄灭界面。通过对该界面及面前后的组织形貌分析和相组成变化的分析,弄清了该三元系合金在自蔓延高温合成中的结构和形成机理。     

低碳微合金钢中Nb、V、Ti碳氮化物的回溶研究

采用透射电镜和X射线光谱技术,研究了低碳微合金钢中Nb、V、Ti的碳氮化物在不同温度保温1 h后的回溶行为.结果表明,低碳微合金钢中存在尺寸明显不同的两类析出,其中颗粒尺寸较大的在80 nm以上;这种颗粒的心部是(Nb,V,Ti)(C,N)相,而颗粒边缘为(Nb,Ti)(C,N)相;颗粒尺寸较小的在20 nm以下,其类型为(Nb,Ti)(C,N).两类析出物中Nb与Ti的原子比均随回溶温度的升高而减小.     

Characterization of NbC and (Nb, Ti)N nanoprecipitates in TRIP assisted multiphase steels

Multiphase steels utilising composite strengthening may be further strengthened via grain refinement or precipitation by the addition of microalloying elements. In this study a Nb microalloyed steel comprising martensite, bainite and retained austenite has been studied. By means of transmission electron microscopy (TEM) we have investigated the size distribution and the structural properties of (Nb, Ti)N and NbC precipitates, their occurrence in the various steel phases, and their relationship with the Fe matrix. (Nb, Ti)N precipitates were found in ferrite, martensite, and bainite, while NbC precipitates were found only in ferrite. All NbC precipitates were found to be small (5–20 nm in size) and to have a face centred cubic (fcc) crystal structure with lattice parameter a = 4.36 ± 0.05 Å. In contrast, the (Nb, Ti)N precipitates were found to have a broader size range (5–150 nm) and to have a fcc crystal structure with lattice parameter a = 8.09 ± 0.05 Å. While the NbC precipitates were found to be randomly oriented, the (Nb, Ti)N precipitates have a well-defined Nishiyama–Wasserman orientation relationship with the ferrite matrix. An analysis of the lattice mismatch suggests that the latter precipitates have a high potential for effective strengthening. Density functional theory calculations were performed for various stoichiometries of NbC_x and Nb_xTi_yN_z phases and the comparison with experimental data indicates that both the carbides and nitrides are deficient in C and N content.     

Ti（C,N）基金属陶瓷的相界面过渡层

对Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷的相界面过渡层进行了系统的研究．实验结果表明：金属陶瓷中Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）硬质相周边存在明显的包覆层组织，它是一种过渡相；Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）／Ｎｉ相界面没有固定的取向关系；Ｗ，Ｍｏ元素主要富集于相界面，且Ｔｉ，Ｎｉ，Ｗ，Ｍｏ元素在相界面具有成分梯度高分辨电镜观察发现，相界面过渡层厚约８－１０ｎｍ并由纳米晶组成．这种过渡层是金属陶瓷的一种比较理想的相界面结构．     

WC-(W,Ti)C-(Ta,Nb)C-Co涂层硬质合金的组织与性能

用控制烧结工艺制备了均质基体结构与梯度基体结构的WC-(W,Ti)C-(Ta,Nb)C-Co硬质合金,采用化学气相沉积工艺在合金表面涂上TiCN/Al203/TiN涂层,制备成相应的涂层硬质合金及刀片.运用金相观察、扫描电镜分析、三点抗弯强度测试及切削性能测试,研究了梯度基体结构对涂层WC-(W,Ti)C-(Ta,Nb)C-Co硬质合金的组织与力学性能影响.结果表明,采用梯度烧结工艺,可以在合金的表层形成梯度韧性区,该韧性区可以提高裂纹扩展阻力.所制备的梯度基体结构合金的抗弯强度明显超过均质基体结构合金,而相应涂层硬质合金刀片在保持耐磨性能的同时能显著提高抗冲击性能.     

含铌、钛船板钢心部微裂纹成因初探

对含铌、钛微合金船板钢酸洗表面形貌、拉伸断口形貌、试样表面及心部显微组织观察结果表明,含铌、钛船板钢心部裂纹的产生主要是由于P、S、O等杂质元素以及Nb、Ti元素在心部的偏析,生成的硫化物、氧化物以及Nb(C,N)、T(iC,N)引起应力集中现象。再加上钢坯连铸过程中H向表面和心部扩散,导致心部H含量较高产生氢脆,加剧裂纹的产生。     

Ti对SPS烧结Nb/Nb5Si3复合材料组织和性能的影响

以Nb、Si和Ti粉末为原料,采用放电等离子烧结(SPS)技术对Nb-20Si、Nb-20Si-5Ti、Nb-20Si-15Ti和Nb-20Si-24Ti材料进行原位合成。利用扫描电镜(SEM)、电子探针微区分析(EPMA)和X射线衍射(XRD)等手段对材料的组织结构进行分析,探讨Ti对复合材料组织和性能的影响规律。结果表明,Ti元素的加入使得复合材料中Nb5Si3相转变成(Nb,Ti)5Si3,随着Ti加入量的增加,组织中出现了单质的Ti相,当Ti含量达到24%时,组织中还会出现Nb3Si相;同时Ti的加入会降低复合材料的硬度,提高其高温抗氧化性能。     

Oxygen-penetration-induced large hardness enhancement in nanoscale Nb/Ti multilayers

Nb/Ti multilayers with different modulation periods were prepared by magnetron sputtering deposition. Microstructure and mechanical properties were investigated by XRD, SEM and Nanoindentation. It turns out that hardness of samples increases with decreasing modulation wavelength (Λ) and then dropped at small Λ. Through scrutinizing other results in literature, we found that the coherent stress rather than modulus mismatch played more important role for hardness enhancement with decreasing Λ of the bcc-hcp multilayers. Annealing of samples in low (or high) vacuum at 400 C for 30 min led to large (or medium) enhancement of hardness, while the modulated structure was still maintained. It was found that annealing in low vacuum resulted in oxygen penetration into the multilayers as revealed by auger electron spectroscopy, but hardly changed metallic sheet resistivity. XRD results suggested that some niobium oxides were formed in Nb layers and oxygen distributed interstitially in Ti layers. The large hardness enhancement after annealing is mainly due to the strengthening effect from dispersive distribution of nano-scale niobium oxides and interstitial oxygen in the multilayers. In addition, interfaces between adjacent layers were more distinct after annealing which indicated good thermal stability of laminated structure.