高能球磨制备WC/Al2O3-Cr-Mo-Ni金属陶瓷及其组织和力学性能

以亚微米级WC粉、Al2O3粉、Cr粉、Mo粉与Ni粉为原料,采用高能球磨+热压工艺制备WC/Al2O3-Cr-Mo-Ni金属陶瓷材料,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析材料的物相组成和显微组织结构以及断裂方式,研究粘结相Ni和陶瓷相Al2O3的含量(均为质量分数)对该材料力学性能和微观结构的影响。研究表明:金属陶瓷的抗弯强度及断裂韧性随Ni含量增加而提高,随Al2O3含量增加而降低,硬度的变化趋势则相反。当Ni含量为7%、Al2O3含量为10%时,该金属陶瓷具有良好的综合性能,抗弯强度为567 MPa,断裂韧性为7.46(MPa.m1/2),维氏硬度为15.24 GPa,基本达到现用模具材料的水平。随着Ni含量增加,金属陶瓷的断裂方式由沿晶断裂向沿晶断裂与穿晶断裂相混合的方式转变。     

纳米/微米Al2O3-ZrO2内衬复相陶瓷的自蔓延高温合成

采用SHS重力分离技术制备出内衬Al2O3-ZrO2复相陶瓷.复相陶瓷基体主要由纤维状(Al2O3+ZrO2)共晶体组成,其中共晶体的ZrO2纤维直径达到纳米/微米尺度.经Vickers压痕法测试其断裂韧度为15.96MPa·m1/2,SEM观察和陶瓷材料断裂韧度测试得出裂纹的扩展主要受共晶体中Al2O3-ZrO2纳米/微米相增韧机制控制,迫使裂纹沿共晶体边界或层片共晶体Al2O3-ZrO2相界偏转,从而维持了该复相陶瓷较高的断裂韧度.     

燃烧合成Al2O3/YSZ复合陶瓷显微结构、强化与原位增韧

通过在铝热剂中引入ZrO2与Y2O3混合粉末,借助燃烧合成及远离平衡态下的共晶生长,制备出以t-ZrO2纳微米纤维成排镶嵌于其上、长径比为12.0～15.0且具有不同生长取向的Al2O3棒晶为基体的Al2O3/YSZ共晶复合陶瓷.相比于定向凝固Al2O3/YSZ共晶复合陶瓷,因本试验具有的高共晶生长速率,导致Al2O3棒晶上的ZrO2正方相纳微米纤维平均尺寸及相间距均下降至150nm,使棒晶基体上的残余压应力高于定向凝固Al2O3/YSZ共晶复合陶瓷,从而在棒晶内高密度低能异相界面的支持下,复合陶瓷得以强化;同时,也正因高强度棒晶及高密度、大角度晶界的存在,在裂纹扩展中诱发棒晶裂纹桥接、拔出及α-Al2O3片晶摩擦互锁增韧机制,材料又得以明显韧化,其断裂韧度高出定向凝固共晶复合陶瓷172%～240%.     

La_2O_3增强增韧(Mo_(0.7),W_(0.3))Si_2复合材料的作用机理

通过多组元自蔓延反应及热压烧结方法制备了(Mo0.7,W0.3)Si2材料及掺杂1.5.%(质量分数)La2O3的(Mo0.7,W0.3)Si2复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、透射电镜(TEM)及物理机械性能测试方法对复合材料组织性能进行了表征,并深入探讨了其强韧化机理。结果表明:La2O3掺杂的(Mo0.7,W0.3)Si2复合材料由(Mo,W)Si2、(Mo,W)5Si3、硅酸镧构成。掺杂La2O3后,La2O3与脆性相Si O2形成硅酸镧化合物,与未掺杂La2O3的(Mo0.7,W0.3)Si2相比,复合材料的晶粒明显细化,强度和韧性均明显提高,其强化原因有细晶强化及颗粒弥散强化;韧化原因有晶粒细化、Si O2的减少、位错缠结、颗粒的拔出、裂纹偏转及微裂纹产生。     

熔体自生原位增韧Al2O3/20%ZrO2(3Y)复合陶瓷显微结构、裂纹扩展与增韧

通过在铝热剂中添加一定含量的微米ZrO2(3Y)粉末,以铝热燃烧、陶瓷/金属液相分离与熔体自生方式,制备出以t-ZrO2纳微米纤维镶嵌于其上且具有不同结构取向的蓝宝石棒晶为基的Al2O3/20%ZrO2(3Y)复合陶瓷,并结合力学性能测试,研究材料显微结构、裂纹扩展与增韧之间的内在联系.研究得出,陶瓷抗弯强度与断裂韧性分别达到1 086MPa与11.6 MPa·m05;存在于蓝宝石棒晶上大量、细密的低能异相界面(相界面间距为纳微米尺度)及高的残余压应力,使蓝宝石棒晶得以补强;具有高强度、高模量且长径比为6.0～8.0的蓝宝石棒晶及分布于其上的高残余压应力又迫使裂纹沿棒晶边界扩展,诱发裂纹偏转、棒晶桥接与拔出增韧机制,并相继伴随着t-ZrO2相变、α-Al2O3片晶桥接、Cr颗粒延性相塑变及相变诱发微裂纹多重增韧机制的协同作用,保证材料在保持高强度的同时,又具有高韧性与高的缺陷容忍性.     

Cr对超重力场燃烧合成TiC-TiB_2复合陶瓷凝固行为的影响

采用超重力场燃烧合成技术,以Ti+B4C为主反应体系,同时辅以不同含量的CrO3+Al增强体系,制备出不同Cr含量的TiC-TiB2复合陶瓷。XRD、FESEM与EDS分析表明,所得TiC-TiB2复合陶瓷主要由大量细小的TiB2片晶、TiC球晶构成,富Cr金属相多与TiB2片晶交织在一起。随着CrO3+Al含量增加,体系绝热温度升高,TiC-TiB2复合陶瓷中富Cr金属相体积分数逐渐增加。分析认为,超重力场下燃烧反应完成后,得到Ti-Cr-C-B合金液相,在冷却凝固过程中,TiC率先形核析出,TiB2随后析出,Cr及少量未反应Ti最后析出,并对TiB2片晶形成的骨架结构进行补缩,从而提高了TiC-TiB2复合陶瓷的致密性。     

超高重力场燃烧合成TiC-TiB_2的组织变质与断裂行为

采用超高重力场燃烧合成工艺,并从500 g到2 500 g每间隔500 g依次增大超重力场加速度,制备系列TiC-TiB2凝固陶瓷。经XRD、FESEM和EDS分析,发现陶瓷显微组织均由片晶的TiB2基体相、不规则的TiC第二相及少量的Al2O3夹杂与Cr基金属相组成。增大超重力场加速度,反应熔体内部各组份之间的对流(Stokes)加强,可加快Al2O3液滴的上浮与分离,促进TiC-TiB2-Me液相成分均匀化,使陶瓷显微组织得以细化,且当超重力场加速度超过2 000 g时,出现TiB2片晶厚度小于1μm的超细晶组织,同时随陶瓷基体上Al2O3夹杂量降低、TiB2片晶异常长大弱化,陶瓷组织均匀性提高。经FESEM断口形貌与裂纹扩展观察,发现TiB2基体相的裂纹桥接与拔出,并耦合晶间Cr基延性相增韧构成陶瓷的复合增韧机制,且随超重力场加速度增大,陶瓷的致密性与组织均质性得以提升,不仅促进TiB2基体相裂纹桥接与拔出,而且可增大Cr基延性对陶瓷增韧的贡献,使得陶瓷弯曲强度与断裂韧性分别同时达到最大值(975±16)MPa和(16.8±1.2)MPa·m1/2。     

铜含量对注射成形Cu/Al_2O_3复合材料性能的影响

采用注射成形方法制备了Cu/Al2O3复合材料,研究了铜的含量对复合材料性能的影响,结果表明:铜含量为10%时,复合材料具有最佳综合性能。通过扫描电镜观察了复合材料的断口形貌,分析了其断裂机制,表明Cu/Al2O3复合材料断裂时存在沿晶断裂、穿晶断裂以及铜颗粒的拔出三种方式,且三者比例依次降低。     

ZrO2(Y2O3)对燃烧合成A12O3/YSZ自生复合陶瓷显微结构与力学性能的影响

在铝热剂中引入不同量ZrO2(3Y)微米粉末,以燃烧合成技术,制备出A12O3/10%、17%、21%、27%、33%ZrO2(3Y)系列成分自生复合陶瓷棒材.XRD分析与SEM观察显示:具有亚共晶成分的陶瓷熔体因以离异共晶方式生长,使得凝固后的陶瓷基体主要由α-A12O3片晶、t-ZrO2枝晶或块晶组成;而随ZrO2(3Y)添加量的增多,陶瓷晶体生长方式又由离异共晶向共生共晶生长发生转化,共晶棒晶体积分数增多,使得A12O3/33%ZrO2(3Y)的陶瓷基体以微米、亚微米t-ZrO2纤维镶嵌其上的A12O3共晶棒晶和少量α-A12O3片晶构成.经力学性能测试,系列陶瓷棒材的硬度与断裂韧度随ZrO2(3Y)添加量增多而逐渐升高,陶瓷棒材硬度最高值达15.7GPa,断裂韧度最高可达10MPa·m1/2.     

工艺参数对Fe3Al/Al2O3复合材料力学性能的影响研究

以自制的亚微米Fe3Al为增强相、Al2O3为基体相,通过常压烧结制备出Fe3Al/Al2O3复合材料,研究了Fe3Al含量、烧结温度及保温时间对复合材料力学性能的影响.结果表明:增加Fe3Al含量、提高烧结温度及延长保温时间都可以不同程度的提高复合材料力学性能.最佳工艺参数为:Fe3Al含量(质量分数)为15%,成形压力为2488MPa,烧结温度为1380℃.此条件下制备的复合材料的各项力学性能较好:相对密度为93%,维氏硬度为9.3GPa,断裂韧度为7.51MPa·m1/2.烧结温度对提高复合材料力学性能的影响较大.     

SiC纤维增强Ti/Ti_2AlNb叠层复合材料制备及界面行为研究

以SiC纤维、Ti箔、Ti_2AlNb箔为原材料,采用箔-纤维-箔方法,通过真空热压技术制备了SiCf/Ti/Ti_2AlNb叠层复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对复合材料相组成和微观组织进行了分析。结果表明,当真空热制造参数为920℃/40 MPa/30 min时,SiC纤维与韧性金属Ti实现良好冶金结合,界面反应产物主要为TiC,界面反应层厚度为0.8μm,C涂层厚度为1.3μm;韧性金属Ti层与金属间化合物Ti_2AlNb层通过Ti,Al,Nb 3种元素相互扩散方式形成固相扩散连接,界面平直,复合材料呈现出理想叠层结构。制备态的SiCf/Ti/Ti_2AlNb叠层复合材料主要由α-Ti,β-Ti,SiC,TiC,O相和B2相构成。在Ti与Ti_2AlNb固相扩散连接过程中,由于Al原子的扩散速率大于Nb原子,且Al是α稳定元素,Nb是β稳定元素,从而导致在Ti/Ti_2AlNb界面区域依次形成α+β双相组织和富B2相。在真空热压实验中,韧性金属Ti层与金属间化合物Ti_2AlNb层固相扩散连接过程依次为:物理接触/α+β双相区形成/富B2相区形成/富B2相区增厚。     

Al-Fe-Si合金基体及强化相Al12(Fe,X)3Si价电子结构分析

基于EET理论,计算了Al-Fe-Si合金基体与强化相Al12Fe3Si,Al12(Fe,X)3Si的价电子结构,探讨了价电子结构与合金强化、合金相稳定性的关系及合金元素X对强化相稳定性的影响.结果表明:与基体α-Al相比,强化相Al12Fe3Si,Al12(Fe,X)3Si的n(A)值分别增强了248%,208%～231%,位错运动阻力分别增大2.48倍和2.08～2.31倍,从合金相价电子结构参数n(A)看,溶质原子固溶强化作用弱于析出相的强化作用;合金元素V,Cr,W,Mo,Mn的加入改变了Al12FeSi的价电子结构,使其原子状态组数σ(N)增加了2个数量级,使合金相的稳定性增强,进而延缓了粗化速度;V,Cr,W,Mo,Mn对Al12Fe3Si相稳定性影响的强弱顺序为Cr(Mn)→W(Mo)→V.     

超重力下燃烧合成TiC(Ti,W)C1-x基细晶复合陶瓷研究

采用超重力下自挤压辅助燃烧合成技术,以快速凝固方式制备出TiC-(Ti,W)C1-x基细晶复合陶瓷.XRD、FESEM与EDS结果表明,TiC基复合陶瓷基体主要由球状的TiC细晶构成,同时在TiC-(Ti,W)C1-x基体问还分布着少量的TiB2片晶、(Cr,W,Ti)3B2及Al2O5残余夹杂物.由于超重力的引入,促...     

无压烧结制备透辉石增韧补强氧化铝基结构陶瓷材料

采用温度梯度无压烧结工艺制备了透辉石增韧补强Al2O3基结构陶瓷材料,探讨了其烧结致密化特性,对无压烧结后材料的硬度、断裂韧度和抗弯强度进行了测试和分析;分析了复合材料力学性能随透辉石含量变化的关系;探讨了复合材料断面断裂方式的变化对其力学性能的影响.与纯Al2O3相比,透辉石/ Al2O3复合材料的力学性能得到明显提高,其中AD3[97% Al2O3 + 3%(体积分数)透辉石]综合力学性能较好,其硬度、抗弯强度和断裂韧度分别为15.57 GPa、417 MPa和5.2 MPa·m1/2.力学性能提高的主要原因是添加相与Al2O3基体之间界面反应的发生以及透辉石对复合材料的晶粒细化效应.     

Al2O3/Cr3C2/(W,Ti)C陶瓷模具材料研究

应用热压技术制备了添加不同含量Cr3C2和（W，Ti）C的Al2O3／Cr3C2／（W，Ti）C复合陶瓷材料。利用光学显微镜、环境扫描电镜、透射电镜和能谱分析仪等对～203／30％Cr3C2、Al2O3／30％（W，Ti）C、Al2O3／20％Cr3C2／10％（W，Ti）C三种复合陶瓷材料的显微组织结构进行了观察分析。研究表明：同其它两种材料相比，Al2O3／20％Cr3C2／10％（W，Ti）C陶瓷复合材料组织细化均匀，有连续骨架结构生成。Cr3G和（W，Ti）C颗粒的共同加入有利于晶粒生长的制约，裂纹分枝与偏转、晶粒拔出、以及纳米相等等，有效提高了氧化铝陶瓷材料的力学性能。     

纳米Al2O3-硬质合金复合材料试验研究

基于在WC-Co基体中加入纳米Al2O3强化硬质合金性能的设想,对几种配方的纳米Al2O3-硬质合金复合材料进行了力学性能测试、耐磨耐冲击试验和微观组织结构的分析研究.结果表明,加入适量的纳米Al2O3不但可细化合金晶粒,使材料组织结构更加均匀,耐磨性能提高,而且增强了WC晶界的强度,使得材料的断裂形式由沿晶断裂转向穿晶断裂,起到增强补韧的作用.同时,加入稀土也提高了材料的综合性能.将纳米复合材料制成钻齿并装配成钻头进行了现场试验,与硬质合金齿钻头相比,其破岩效率提高20%,使用寿命提高80%.     

第二相对Ti-25V-15Cr-2Al-0．2C-x（x=0，2％Mo，2％Nb，0．02％Si）合金拉伸断裂行为的影响

研究了第二相对Ti—25V—15Cr—2Al—0．2C—x(x=0，2％Mo，2％Nb，0．2％Si)阻燃β钛合金拉伸断裂行为的影响。结果表明，β晶界上析出的。相增加了合金发生沿晶断裂的趋势，特别是热暴露后形成的连续晶界α膜是导致合金脆性沿晶断裂的主要原因。虽然粗大的碳化物颗粒是合金中的裂纹源之一，但细小、弥散分布的碳化物却能显著降低合金发生脆性沿晶断裂的趋势，其原因是细化了β晶粒和有效抑制了晶界α沉淀的析出。     

绝热温度对超重力场燃烧合成TiC-TiB2组织及性能的影响

通过在(Ti+B4C)体系中引入相应含量的(CrO3+Al)高能铝热剂,采用超重力场燃烧合成,在不同绝热温度下制备出具有不同含量Cr基合金相的TiC-TiB2复合陶瓷。XRD、FESEM和EDS分析表明,TiC-TiB2复合陶瓷主要由TiB2片晶与不规则的TiC晶粒组成,少量的Al2O3夹杂颗粒孤立地分布于陶瓷基体上,而Cr基合金相则分布于TiB2片晶与不规则TiC晶粒周围。增加燃烧合成绝热温度,因增加了陶瓷熔体中的Cr基合金相含量,不仅促进陶瓷致密化,而且促使陶瓷凝固组织细化,使得TiB2片晶诱发的裂纹偏转、裂纹桥接、片晶拔出及Cr基合金相所引起的延性相增韧随之增强,进而使陶瓷断裂韧度与抗弯强度增大。     

钼对钨基合金砧块性能的影响

研究了烧结温度及合金成分对合金的室温、高温力学性能以及合金成分对合金导电性能的影响。结果表明,对于含W90％(wt)、Ni:Fe为2:1的合金,在1450℃烧结保温1.5h,合金性能最好,Mo的加入有利于合金的强度、硬度及高温性能的提高,较好地改善了钨基合金砧块的综合性能。Mo有助于W晶粒的细化,它固溶到W相和粘结相中从而达到强化两相的目的。当两相的延性相差不大时,断口大多出现沿W —粘结相的界面断裂,W穿晶断裂数目有所减少。     

等离子喷涂Al2O3-TiO2涂层过程中的物相转变研究

综述了等离子喷涂Al2O3-TiO2涂层过程中的不同粒度Al2O3粉末及TiO2物相转变,通过不同喂料及涂层的X射线衍射图,分析Al2O3和TiO2不同相态在喷涂过程中的转化机制。研究结果表明,涂层的Al2O3主要以α-Al2O3和γ-Al2O3相组成,TiO2则主要以金红石晶型存在。对等离子喷涂陶瓷涂层过程中的物相转变研究提出展望。