(Ti,W)C固溶体基金属陶瓷的研究进展

本文概括了(Ti,W)C固溶体基金属陶瓷的性能及优势,分析了(Ti,W)C固溶体粉末的制备方法如碳热还原法、燃烧合成法(自蔓延高温合成法)、机械合金化和机械诱发自蔓延反应;讨论了已经应用的(Ti,W)C基金属陶瓷的烧结方法如真空烧结,自蔓延高温合成,高频诱导加热合成和放电等离子体烧结等方法,并指出有可能应用的其它烧结方法如微波烧结、选择性激光烧结、二阶段烧结、等离子体活化烧结等方法;系统地综述了不同成分粘结剂(Ni、Co/Ni、Fe、Fe Al、NiAl_3)、第二类碳化物(Mo_2C、WC)和组元含量(C、Mo、W、W与Ti的量之比)以及粉末状态(纳米粉末或固溶体形状)对(Ti,W)C基金属陶瓷组织和性能的影响,最后对(Ti,W)C基金属陶瓷未来的研究进行了展望。     

TiC-Ni金属陶瓷自蔓延高温合成中的显微组织演变

用燃烧波淬熄法研究了TiC-Ni金属陶瓷自蔓延高温合成(SHS)中的组织演变,淬熄试样中保留了未反应区、反应区和已反应区.用扫描电子显微镜观察了燃烧反应中显微组织的转变过程,用能谱仪分析了各微区的成分变化,测量了燃烧温度Tc和燃烧波蔓延速度,并用XRD分析了反应产物的相组成.结果表明,TiC-Ni金属陶瓷自蔓延高温合成(SHS)的机理为溶解-析出机制,镍粉与钛粉的固态扩散导致低熔点Ti-Ni溶液形成,Ti、Ni、C粉粒逐渐向Ti-Ni溶液中溶解,当Ti-Ni-C溶液中的Ti和C浓度饱和时,从中析出TiC颗粒,同时形成粘结TiC颗粒的Ni3Ti基体.分析结果表明,该体系的燃烧合成具有不完全性,最终产物中残留少量Ni3Ti2 NiTi共晶体,这种反应的不完全性是由于使用了较粗的Ti粉和Ni粉.     

(Ti,W)C-Ni金属陶瓷的显微组织和力学性能研究

采用商用(Ti_(0.76),W_(0.24))C、(Ti_(0.69),W_(0.31))C、(Ti_(0.58),W_(0.42))C和Ni粉末,通过真空烧结制备了(Ti,W)C-Ni金属陶瓷。研究了(Ti,W)C中W含量对(Ti,W)C-Ni金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。研究结果表明,(Ti,W)C-Ni金属陶瓷具有芯-环结构显微组织。随着W含量升高组织中芯相体积分数下降,环形相体积分数明显上升。当a(Ti)∶a(W)为0.69∶031时,金属陶瓷组织中出现了少量的无芯相,但进一步增加W含量,金属陶瓷中析出WC相和石墨相。较之传统的Ti(C,N)基金属陶瓷,(Ti_(0.69),W_(0.31))C-Ni金属陶瓷具有优异的断裂韧性(KIC),其数值为16.94 MPa·m~(1/2)。环形相与芯相的体积分数比例是影响(Ti,W)CNi金属陶瓷力学性能的关键因素。     

激光烧结时间对TiC-WC-Mo_2C-Ni系金属陶瓷显微组织和抗弯强度的影响

以TiC、WC、Mo_2C和Ni粉体为主要原料,采用传统制粉成形工艺和激光烧结技术成功制备出了TiC-Ni系金属陶瓷,研究了激光烧结时间对TiC-Ni系金属陶瓷显微组织和抗弯强度的影响。利用X-衍射和扫描电镜等手段对所制备的金属陶瓷的物相、显微组织、断口形貌和抗弯强度进行分析。结果表明:烧结时间在0.5~1 h内,获得的金属陶瓷物相较纯,当烧结时间超过1.5 h后,产物中出现了杂相。扫描电镜观察表明,随着烧结时间的延长,TiC、WC和Mo_2C相将逐渐消失,并通过溶解-再析出方式形成了(Ti,W,Mo)C完全固溶体。金属陶瓷的相对致密度和抗弯强度均随烧结时间的延长呈先增加后降低的规律。当烧结时间为1 h左右时,获得的金属陶瓷的相对致密度和抗弯强度分别约为99%和1 785 MPa,其断裂模式以沿晶断裂为主。     

工艺参数对SHS法制备TiC-Ni(Mo)金属陶瓷复合材料的影响

为了研究预压坯相对密度、预热温度、反应物配比、孔隙率等工艺参数对TiC-Ni(Mo)铝基金属陶瓷复合材料高温合成过程的影响作用,采用自蔓延燃烧合成(SHS)技术在7A52铝合金表面制备了TiC-Ni(Mo)金属陶瓷复合涂层,利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)对涂层的物相结构进行了分析。结果表明:体系的燃烧速度随预压坯相对密度的提高呈先增后减的趋势,预压坯的最佳相对密度约为55%;体系的燃烧温度随预热温度增长而增长,最佳预热温度区间在400~450K;体系的绝热温度随体系中Ni-Mo含量的提高而降低,最合适的配比方案为TiC-20Ni(Mo)。     

等离子体烧结制备TiNi合金的表征

将高能球磨制备的原子比为1:1的Ti Ni合金粉进行等离子体真空烧结。利用XRD、EDS和SEM对合金粉和烧结样进行了成分与微观形貌的表征,同时对烧结样进行了硬度测试。结果表明:球磨22 h后Ti Ni粉呈非晶态粉末,球磨30 h后的TiNi合金粉发生了明显的固相反应,生成了TiNi、Ni_3Ti、Ti_3Ni_4等物相。等离子体烧结样的物相是Ti Ni,Ni_4Ti_3、Ni_3Ti和Ti_2Ni。平均晶粒尺寸约2μm,平均硬度(HV)达到9000 MPa,自然时效1年后的平均硬度达到6800MPa,是常规电弧熔炼法制备的Ti Ni合金的2~5倍。     

NiMo粘结的Ti(C,N)基金属陶瓷的组织与力学性能

本文通过粉末冶金法制备Ni Mo粘结的Ti(C,N)基金属陶瓷,研究Ni Mo粘结相含量和烧结温度对Ni Mo粘结的Ti(C,N)基金属陶瓷的组织和力学性能的影响。结果表明,随着Ni Mo粘结相含量的增加,硬质相颗粒弥散分布更加均匀,黑芯相得到细化,芯-环结构更加完整,环形相变厚,组织更加均匀。当Ni质量分数为30%时,在XRD图谱中出现明显的Ni4Mo类型的金属间化合物的衍射峰。粘结相含量越高,Ni Mo粘结的Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度越高,硬度越低。随着烧结温度升高,黑芯相尺寸变小,环形相变厚。抗弯强度随着温度先升高后降低,粘结相含量越高,抗弯强度峰值对应的烧结温度越低。1 430℃烧结的20Ni Mo金属陶瓷硬度HRA达到91,抗弯强度大于2 000 MPa。     

化学成分对TiC-Ni系金属陶瓷显微组织的影响

为探究Mo、WC、ZrC对TiC-Ni系金属陶瓷组织的影响,真空烧结制备了TiC- Ni系金属陶瓷。利用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、能谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)等研究了Mo、WC和ZrC对金属陶瓷显微组织的影响。结果表明,TiC基金属陶瓷的显微组织随着Mo、WC、ZrC的加入而逐渐细化,形成(Ti,Mo)C、(Ti,Zr,Mo)C、(Ti,Mo,W)C、(Ti,Zr,Mo,W) C、(Zr,Ti,Mo)C和(Zr,Ti,Mo,W)C等固溶体,并且在10%TiC-40%ZrC-14%Mo-15% WC-20%Ni-1%C试样中出现了无芯晶粒(coreless grains)、微裂纹及微孔洞。断裂韧性测试结果表明,该显微结构能大大提高材料的断裂韧性。     

基于机械合金化法制备（Ti，W）C—Ni金属陶瓷的组织与性能

以Ti、W、C的元素粉末为原料,通过机械合金化法制备了（Ti,W）C固溶体粉末,结果表明：目标成分为（Ti0.95,W0.05）C、（Ti0.9,W0.1）C和（Ti0.85,W0.15）C的混合粉末经高能球磨后有（Ti,W）C固溶体生成,目标成分为（Ti0.8,W0.2）C的混合粉末经球磨后没有反应发生,X射线衍射图仍然为各组分的单质峰。将经8h球磨得到的目标成分为（Ti0.95,W0.05）C和（Ti0.09,W0.1）C的固溶体粉末与20wt％的Ni粉进行混和,压制成型后在1450℃下烧结1h,得到的金属陶瓷的硬度和抗弯强度分别为88HRA,1636MPa和88．7HRA,1693MPa。两种成分的金属陶瓷的显微组织中均含有“白芯-灰环”结构、“黑芯-灰环”结构以及无芯-环结构的陶瓷晶粒。与钨含量较低的样品相比,钨含量较高的样品的晶粒尺寸以及“黑芯-灰环”结构中黑色芯相的尺寸较小,同时具有无芯结构和“白芯-灰环”结构的晶粒数目较多。     

(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)金属陶瓷的烧结致密化过程研究

本文研究了(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)基金属陶瓷材料烧结致密化过程、烧结过程中金属陶瓷的成分、组织结构和性能的变化,初步探讨烧结工艺控制对成分、组织结构和性能的影响。研究结果表明：(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)基金属陶瓷致密化过程中,合金因烧结而引起的质量损失在液相出现前的固相烧结阶段基本结束;而1340℃以后,由于液相的出现,合金的体积收缩和密度急剧上升。烧结过程中氮含量的变化趋势与合金磁性能的变化趋势一致,金属陶瓷合金成分中氮含量的变化对合金固溶体的形成有显著的影响。在1490℃烧结温度下,(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)金属陶瓷的综合力学性能最佳,而通过合适的N₂分压烧结工艺,可以实现对(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)基金属陶瓷强韧性的进一步提升。     

Ni/Ti(C,N)包覆粉及其金属陶瓷的制备

采用非均相沉淀-热还原法制备Ni/Ti(C,N)包覆粉,并用该包覆粉经真空烧结制得金属陶瓷。利用扫描电镜、电子能谱、X-射线衍射等手段研究包覆粉的结构形貌及烧结后的微观组织与性能。结果表明:非均相沉淀过程中,非晶态的NiCO3·2Ni(OH)2·2H2O在Ti(C,N)颗粒表面成核并生长;经热还原过程后,NiCO3·2Ni(OH)2·2H2O分解并完全还原成Ni,Ni的平均晶粒尺寸约为50nm;采用包覆粉为原料制备金属陶瓷,有效改善了硬质相和粘结相的分布均匀性,但包覆粉烧结过程中存在晶粒长大现象;金属陶瓷的相成分为纯净的Ti(C,N)与Ni两相;金属陶瓷的综合性能相对于传统工艺制得的金属陶瓷有一定提高。     

Effect of Ni addition on the densification of TiC: A comparative study of conventional and microwave sintering

This study deals with the effect of conventional sintering and microwave sintering on the densification kinetics of Titanium Carbide (TiC) in the presence of Ni (1, 1.5, 2 wt%). TiC compacts were obtained after uniaxial pressing of powders synthesised by ball milling of Titanium and Carbon and sintering was done in the presence of Nickel. The samples prepared were subjected to conventional as well as microwave sintering. The XRD and SEM analysis were used for a study of the reaction of Ti and C powders upon addition of Ni, which reduced the sintering temperature to 1200 °C. The densification of TiC powders was due to the Ti-Ni eutectic system, the liquid phase formed at this temperature assisting the sintering process. The SEM images revealed the flake like structure of TiC in which the carbon diffused into Ti upon the addition of Ni, thereby supporting enhanced mass transfer. The XRD pattern showed the presence of Titanium Oxide (TiO₂) along with TiC which resulted in non-uniform distribution of hardness. Maximum hardness was achieved in the conventional sintered compacts which gradually increased with increase in Ni addition. The presence of the oxide phase and the formation of micro cracks resulted in non-uniform hardness for microwave sintered compacts. The maximum hardness of conventional sintered compact (375 HLD) was nearly 1.5 times more than the maximum hardness of the microwave sintered compact (250 HLD). The density of the microwave sintered compact was found to be higher by 8% than with the conventionally sintered compact.     

Manufacturing a TiAl alloy by high-energy ball milling and subsequent reactive sintering

A TiAl alloy was fabricated by high-energy ball milling and subsequent reactive sintering from the mixed powders of Ti and Al. High-energy ball milling produced a kind of particular composite powders with an extremely fine altemative Ti and Al lamella structure. The composite powders not only possessed good consolidation and densification characteristics, but also resulted in the augment of nucleation rate of α and γ titanium aluminides during solid-phase reactive sintering After a series of processing, pressing, degassing, extrusion, and sintering, the resultant TiAl alloy presented high relative density and refined grain sizes of （α2 ＋ γ） lamella and γ phases. The compressive yield strength of the sintered TiAl reached 600 MPa at 800℃.     

Mo_2C对Ti(C,N)基金属陶瓷腐蚀性能的影响

通过静态浸泡腐蚀和动电位极化两种方法,研究了Mo2C对Ti(C,N)基金属陶瓷在NaOH溶液中腐蚀性能的影响。实验结果表明:Ti(C,N)基金属陶瓷的耐蚀性明显优于WC-Co硬质合金;添加Mo2C可以大幅度提高Ti(C,N)基金属陶瓷的机械性能,硬度从91.2到94.0 HRA和抗弯强度从930到1 350 MPa,但会降低金属陶瓷的耐蚀性能;由于Mo2C的加入,会使金属陶瓷的动电位极化曲线出现两个钝化区,但是两个钝化区域的电流均未达到真正的钝化电流(10-5A/cm2),因而这些钝化现象均为伪钝化;在经动电位极化后的试样表面,粘结相Ni和白色的内环相均会被腐蚀,其中内环相为富Mo的(Mo,Ti)(C,N)固溶体,其耐腐蚀性较未溶的Ti(C,N)芯更差。随着Mo2C添加量的提高,内环形相的厚度随之会增加,从而降低了Ti(C,N)基金属陶瓷的耐蚀性能。     

Ultramicro molybdenum nitride powder prepared using high-energy mechanochemical method

Using the specially designed mechanochemical ball-mill equipment, ultramicro molybdenum nitride powders were prepared from pure molybdenum powders in ammonia atmosphere at room temperature by high-energy ball milling. The structure and the particle size of the powders were investigated by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and transmission electron microscopy (TEM). The results show that the mass ratio of grinding media to powder was 8:1, after milling for 30h the Mo2N of fcc structure was obtained, and the average particle size of the powders was around 100 nm. It is found that the chemisorption of ammonia onto the fresh molybdenum surfaces created by milling was the predominant process during solid-gas reaction, and the energy input due to introduction of highly dense grain boundaries and lattice defects offered the activation energy for the transition from Mo-N chemisorption to molybdenum nitride. In addition, the change of Mo electronic undersaturation induced by the grain refining accelerated the bonding between Mo and N. The mechanism model of whole nitriding reaction was given. During the high-energy ball milling processing, the rotational speed of milling played a critical role in determining the overall reaction speed.     

烧结气氛对Ti(CN)基金属陶瓷组织和性能的影响

用X射线衍射、背散射扫描电镜及能谱仪等分析手段研究了烧结气氛(真空、N2、Ar)对不同成分TiC基和Ti(CN)基金属陶瓷合金显微组织和性能的影响.金属陶瓷在N2和Ar中烧结后,合金碳含量比在真空中烧结的碳含量低0.5%左右;在N2中烧结后,合金的氮含量提高了0.5%左右.环状结构心部可以是以钨等重金属元素为主要成分的碳化物,也可以是以钛为主要成分的碳化物和碳氮化物.环状结构为金属元素含量和分布不同的(Ti,W,Ta,Mo,Co,Ni)(C,N)固溶体,粘结相是与Ti,W,Ta,Mo,C,N等元素有不同溶解度的钴镍固溶体.真空烧结后组织结构比较均匀,合金的性能最好.在Ar、N2中烧结后,气氛中的氧和氮参加烧结反应,影响合金成分碳氮平衡,在合金表面形成壳层结构,产生表面缺陷,合金的密度、显微硬度、抗弯强度均有比较大的降低;N2气氛影响更大.     

Mo_2FeB_2基金属陶瓷烧结过程中显微组织和力学性能的变化

采用真空烧结法制备了Mo2FeB2基金属陶瓷。运用XRD、SEM、EDS研究了Mo2FeB2基金属陶瓷的烧结过程中显微组织的变化并测试了不同烧结温度下所得金属陶瓷材料的力学性能。实验结果表明:进入L1液相(奥氏体+Fe2B)烧结阶段后,金属陶瓷由于颗粒重排致密度大幅度提高,但溶解-析出过程进行得较缓慢,晶粒基本没有长大。提高烧结温度至L2液相(奥氏体+L1+Mo2FeB2)生成后,由于溶解-析出过程明显加剧,晶粒长大趋势明显,但致密化程度进一步提高。当烧结温度达到1280℃,保温时间为40min时,烧结体接近完全致密,所得材料组织均匀具有较佳力学性能。