基于機械化學(xué)法制備TiC基金屬陶瓷的研究.pdf

1、機械化學(xué)法制備的粉末具有化學(xué)成分均勻、顆粒尺寸細小、粒度分布窄等特點，而且制備效率高、成本低、工藝過程簡單，因而在超細粉末合成與制備方面具有較大的優(yōu)勢。本文將機械化學(xué)法應(yīng)用于TiC基金屬陶瓷制備領(lǐng)域，利用Ti-C反應(yīng)高放熱的特點，通過高能球磨誘發(fā)的自蔓延反應(yīng)（機械誘發(fā)自蔓延反應(yīng)）制備了TiC基固溶體粉末、金屬陶瓷復(fù)合粉末、TiC-TiB2復(fù)合粉末以及TiC-Ni3Al陶瓷與金屬間化合物復(fù)合粉末，并對采用這些合成粉末制備的TiC基金屬陶瓷

2、的顯微組織與力學(xué)性能進行了研究。
　　以Ti、Mo、W、Ta和石墨粉末為原料，采用機械誘發(fā)自蔓延反應(yīng)制備了(Ti,Mo)C、(Ti,W)C和(Ti,Ta)C固溶體粉末，并以此為陶瓷相原料與Ni混合后制備了金屬陶瓷。研究結(jié)果表明，高能球磨引發(fā)了Ti-C之間的自蔓延反應(yīng)，Mo、W和Ta原子借助于反應(yīng)熱固溶于新生成TiC中，形成了(Ti,Mo)C、(Ti,W)C和(Ti,Ta)C固溶體。固溶體顆粒在燒結(jié)時發(fā)生選擇性溶解和析出現(xiàn)象，使得固

3、溶體金屬陶瓷顯微組織中出現(xiàn)芯/環(huán)結(jié)構(gòu)，但該類芯、環(huán)之間的成分差異較小，因而固溶體金屬陶瓷具有較高的斷裂韌性。
　　以Ti、W、Mo、Ta、Ni和石墨粉末為原料，采用機械誘發(fā)自蔓延反應(yīng)合成了(Ti,M)C-Ni金屬陶瓷復(fù)合粉末（M=W、Mo、Ta）。結(jié)果表明，球磨引發(fā)了Ti-C之間的自蔓延反應(yīng)并使得金屬顆粒熔化，冷卻時少量熔體具有較快凝固速度而形成一些尺寸為1-15mm的不規(guī)則塊體，大部分熔體則在凝固過程中受到磨球碰撞沖擊形成超細粉

4、末。采用上述復(fù)合粉末制備的金屬陶瓷組織中無芯/環(huán)結(jié)構(gòu)晶粒較多，而少數(shù)具有芯/環(huán)結(jié)構(gòu)的晶粒其芯相和環(huán)形相間的成分差異較小，并且它們之間具有共格界面。陶瓷相與金屬粘結(jié)相之間的界面具有較高的結(jié)合強度，它們之間存在一層微晶結(jié)構(gòu)過渡層，這是金屬陶瓷界面中一種比較理想的結(jié)合方式。以上界面特征都使得基于機械誘發(fā)自蔓延反應(yīng)的TiC基金屬陶瓷具有較高的斷裂韌性，其中(Ti,W)C-Ni高達13.27 MPa·m1/2，同時其硬度和抗彎強度與傳統(tǒng)金屬陶瓷相

5、當。該類金屬陶瓷的韌化機理是裂紋偏轉(zhuǎn)增韌和裂紋橋連增韌。
　　以Ti、B、Ni和石墨粉末為原料，采用機械誘發(fā)自蔓延反應(yīng)制備了不同TiC/TiB2質(zhì)量比的TiC-TiB2復(fù)合粉末和TiC-TiB2-Ni金屬陶瓷復(fù)合粉末。結(jié)果表明，高能球磨無法點燃Ti與B之間的自蔓延反應(yīng)，整個體系的自蔓延反應(yīng)是基于Ti-C首先被點燃而引發(fā)的。TiC-TiB2金屬陶瓷采用真空燒結(jié)工藝難以完全致密化，隨著 TiB2含量增加其孔隙率上升。TiC-TiB2金

6、屬陶瓷的硬度變化趨勢較復(fù)雜，其中質(zhì)量比TiB2/TiC=3/7時硬度最高，為16.32GPa。TiC-TiB2金屬陶瓷的抗彎強度和斷裂韌性隨著TiB2含量增加而下降，材料的孔隙率對這兩項性能的影響較大。燒結(jié)體中的孔隙主要存在于陶瓷晶粒內(nèi)部，故TiC-TiB2金屬陶瓷呈現(xiàn)出明顯穿晶斷裂特征。
　　以Ti、Ni、Al和石墨粉末為原料，采用機械誘發(fā)自蔓延反應(yīng)制備了不同Ni3Al含量的TiC-Ni3Al復(fù)合粉末。研究結(jié)果表明，原子比Ni/

7、Al=3/1的Ni、Al混合粉末不能發(fā)生機械誘發(fā)自蔓延反應(yīng)。球磨首先點燃Ti-C的反應(yīng)，進而引發(fā)了整個體系的自蔓延反應(yīng)。機械誘發(fā)自蔓延反應(yīng)過程中形成球形TiC顆粒必須滿足的條件有兩個：（1）滿足或接近TiC化學(xué)計量比；（2）體系具有能夠使顆粒完成粗糙化轉(zhuǎn)變的溫度。隨著Ni3Al含量增加，TiC-Ni3Al金屬陶瓷的硬度和孔隙率下降，但抗彎強度和斷裂韌性顯著提高，并且顯微組織中陶瓷晶粒也明顯細化。
　　以Ti和三聚氰胺為原料，采用機