雙結(jié)構(gòu)Ti(C,N)基金屬陶瓷組織與性能的研究.pdf

1、Ti(C，N)基金屬陶瓷材料主要應(yīng)用在切削加工領(lǐng)域，然而由于較低的韌性極大的限制了Ti(C,N)基金屬陶瓷應(yīng)用。設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的Ti(C，N)基金屬陶瓷，提高精加工的效率;拓展應(yīng)用范圍由半精加工、精加工進(jìn)一步到粗加工領(lǐng)域;延伸使用范圍由切削刀具材料進(jìn)一步為油井鉆頭關(guān)鍵部件和軋輥材料，在工程中具有重要意義。因此，根據(jù)Ti(C,N)基金屬陶瓷在實(shí)際工程應(yīng)用中的需要，對(duì)其組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究是十分必要和緊迫的。本文以材

2、料的斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的Ti(C,N)基金屬陶瓷，采用了真空燒結(jié)、氣氛壓力燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等方法制備了Ti(C，N)基金屬陶瓷，研究了顆粒(WC-Co顆粒、Ti(C,N)基陶瓷顆粒）、組織結(jié)構(gòu)（雙結(jié)構(gòu)）、NiTi纖維對(duì)Ti(C,N)基金屬陶瓷組織和性能的影響。完成的主要研究工作總結(jié)如下:
　　(1)采用真空燒結(jié)制備了Ti(C,N)-Co-Mo-C-(WC-Co)顆粒金屬陶瓷。研究了WC-Co顆粒對(duì)Ti(C，N)基金

3、屬陶瓷組織和性能的影響。結(jié)果表明，WC-Co顆粒較為均勻的分布在Ti(C,N)基金屬陶瓷基體上，在顆粒和基體上存在一個(gè)過渡層。隨著粗WC-Co顆粒含量的增加，Ti(C，N)基金屬陶瓷致密度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度先增加后降低，硬度不斷降低。隨著細(xì)WC-Co顆粒含量的增加，Ti(C,N)基金屬陶瓷致密度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度不斷增加，硬度不斷降低。含WC-Co顆粒的Ti(C,N)基金屬陶瓷的斷口形貌包括兩個(gè)部分:WC-Co顆粒的解理和基體硬質(zhì)相

4、顆粒的沿晶和穿晶斷裂。其主要的韌化機(jī)制是裂紋分叉和裂紋偏轉(zhuǎn)。
　　(2)采用氣氛壓力燒結(jié)的方法制備了含Ti(C,N)基金屬陶瓷復(fù)合顆粒的Ti(C,N)基金屬陶瓷，研究了Ti(C，N)基金屬陶瓷復(fù)合顆粒對(duì)Ti(C，N)基金屬陶瓷組織和性能的影響。結(jié)果表明，Ti(C,N)基金屬陶瓷顆粒較為均勻的分布在Ti(C,N)基金屬陶瓷基體上，隨著Ti(C,N)基金屬陶瓷顆粒含量的增加，Ti(C，N)基金屬陶瓷致密度、抗彎強(qiáng)度不斷降低，硬度不斷增

5、加，斷裂韌度先增大后降低。含Ti(C，N)基金屬陶瓷顆粒的Ti(C,N)基金屬陶瓷的斷口形貌包括兩個(gè)部分:Ti(C，N)基金屬陶瓷顆粒的解理和基體硬質(zhì)相顆粒的沿晶和穿晶斷裂。其主要的韌化機(jī)制是裂紋分叉。
　　(3)采用真空燒結(jié)制備了雙結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷(粗顆粒原料采用納米TiC)。研究了不同顆粒尺寸和WC含量的雙結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷組織、性能和斷裂行為。結(jié)果表明，雙結(jié)構(gòu)金屬陶瓷主要有兩部分組成:Ti(C，N)基金

6、屬陶顆粒粗顆粒和基體相。Ti(C，N)基金屬陶顆粒(納米TiC)較為均勻的分布在基體上。Ti(C，N)基金屬陶瓷顆粒內(nèi)部的組織主要是黑芯/灰殼和黑芯/連續(xù)的白色內(nèi)環(huán)形相/連續(xù)的灰色外環(huán)形相;基體組織主要是Co，此外還有黑芯/灰殼、白芯/灰殼、黑芯/白色內(nèi)環(huán)形相/灰色外環(huán)形相和無芯四種組織等。發(fā)現(xiàn)了一種四層的組織:黑芯/灰黑色內(nèi)環(huán)形相/白色內(nèi)環(huán)形相/白色內(nèi)環(huán)形相。隨著WC含量的增加，顆粒的尺寸無明顯變化，基體的白芯和無芯數(shù)量逐漸增加。隨著

7、顆粒尺寸的增加，雙結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度和硬度逐漸減小，斷裂韌度不斷增加。隨著WC含量的增加，雙結(jié)構(gòu)Ti(C,N)基金屬陶瓷抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度逐漸增加，硬度有所降低。雙結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷的斷口形貌包括兩個(gè)部分:撕裂棱和顆粒拔出。主要韌化機(jī)制:裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋分叉、裂紋橋接、微裂紋和拔出效應(yīng)。
　　(4)采用真空燒結(jié)制備了雙結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷(粗顆粒原料采用微米TiC)。研究了不同顆粒尺寸的雙結(jié)構(gòu)T

8、i(C,N)基金屬陶瓷組織、性能和斷裂行為。結(jié)果表明，雙結(jié)構(gòu)金屬陶瓷主要有兩部分組成:Ti(C，N)基金屬陶顆粒粗顆粒和基體相。Ti(C,N)基金屬陶顆粒(微米TiC)較為均勻的分布在基體上?；w組織主要是Co，此外還有黑芯/灰殼、白芯/灰殼、黑芯/白色內(nèi)環(huán)形相/灰色內(nèi)環(huán)形相/灰色外環(huán)形相四種組織等。隨著顆粒尺寸的增加，雙結(jié)構(gòu)Ti(C,N)基金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度和硬度逐漸降低，斷裂韌度不斷增加。雙結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷的斷口形貌主要

9、包括兩個(gè)部分:撕裂棱和顆粒拔出。主要的韌化機(jī)制是偏轉(zhuǎn)、裂紋分叉、裂紋橋接、微裂紋和拔出效應(yīng)。
　　(5)采用真空燒結(jié)制備了超粗顆粒雙結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷。研究了超粗顆粒的雙結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷組織、性能和斷裂行為。結(jié)果表明，雙結(jié)構(gòu)金屬陶瓷主要有兩部分組成:超粗顆粒和基體相。超粗顆粒的均勻分布在基體上，添加WC對(duì)超粗顆粒的尺寸沒有明顯的影響。不含WC的超粗顆粒雙結(jié)構(gòu)金屬陶瓷的顆粒組織主要是傳統(tǒng)的黑芯/灰殼組織;基體組

10、織主要是Co，此外還可以發(fā)現(xiàn)無芯組織。含WC的超粗顆粒雙結(jié)構(gòu)金屬陶瓷的顆粒組織主要是傳統(tǒng)的黑芯/灰殼以及黑芯/不連續(xù)的白色內(nèi)環(huán)形相/連續(xù)的灰色外環(huán)形相組織;基體組織主要是Co，此外還可以發(fā)現(xiàn)白芯/灰殼和無芯組織。雙結(jié)構(gòu)金屬陶瓷的硬質(zhì)相種類比常規(guī)的金屬陶瓷種類更加豐富。隨著顆粒尺寸的增加，超粗顆粒雙結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度、硬度和致密度逐漸減小，斷裂韌度不斷增加。添加WC到超粗顆粒雙結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷，可以明顯提高

11、材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度和致密度，然而硬度有所下降。對(duì)比超粗顆粒雙結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷和相同成分的常規(guī)金屬陶瓷可以發(fā)現(xiàn)，雙結(jié)構(gòu)金屬陶瓷的斷裂韌度明顯提高。雙結(jié)構(gòu)Ti(C，N)基金屬陶瓷的斷口形貌包括兩個(gè)部分:撕裂棱和超粗顆粒拔出。主要韌化機(jī)制:裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋分叉、裂紋橋接、微裂紋和拔出效應(yīng)。
　　(6)采用放電等離子燒結(jié)的方法制備Ti(C，N)/NiTi金屬陶瓷材料。研究了NiTi纖維對(duì)Ti(C,N)基金屬陶瓷組織、性能、

12、相變和斷裂行為的影響。NiTi纖維較為均勻的分布在Ti(C,N)基金屬陶瓷基體上，隨著同NiTi纖維的增加，基體上纖維呈現(xiàn)的也就越多，基體的硬質(zhì)相晶粒尺寸不斷減小。NiTi纖維表面有TiC和Ni產(chǎn)生。含NiTi的Ti(C,N)基金屬陶瓷在加熱過程中存在馬氏體相變現(xiàn)象。隨著NiTi纖維含量的增加，Ti(C,N)基金屬陶瓷致密度有所上升，抗彎強(qiáng)度不斷增加，硬度不斷降低。含NiTi纖維的Ti(C,N)基金屬陶瓷的斷口形貌包括兩個(gè)部分:NiTi