(Ti,M)C的制備及基于第一性原理的力學(xué)性能研究.pdf

1、由于TiC具有高強度、高硬度、抗熱震性能優(yōu)異、價格低廉、資源豐富等優(yōu)點，是現(xiàn)在公認的最有希望可替代WC的材料。而以TiC為硬質(zhì)相，Ni、Co等金屬為粘結(jié)相的材料通常稱為金屬陶瓷。該類材料的典型芯-環(huán)相結(jié)構(gòu)，使得TiC基金屬陶瓷斷裂韌性遠低于WC-Co金屬陶瓷，也成為了限制TiC基金屬陶瓷廣泛應(yīng)用的最大障礙。改善TiC基金屬陶瓷韌性的做法，通常是將通過預(yù)固溶處理直接制備的（Ti，M）C取代TiC作為硬質(zhì)相（其中M=W，Mo，V，Nb等），

2、以獲得具有弱芯-環(huán)相結(jié)構(gòu)乃至無芯相結(jié)構(gòu)的材料，最大程度地減少芯相與環(huán)相之間相界面數(shù)量，弱化相界面處成分梯度過大對金屬陶瓷性能產(chǎn)生的不利影響，達到材料強韌化的目的。目前制備復(fù)式固溶體型碳化物的手段有碳熱還原法、預(yù)合金化法等多種方法，最常用的是碳熱還原法。但使用該法制備復(fù)式碳化物容易產(chǎn)生過量游離碳，且工序復(fù)雜、耗時長、能耗高，因此，尋找一種工藝簡單、流程短且純度高的復(fù)式碳化制備方法一直是復(fù)合材料領(lǐng)域研究的重點。
　　本文在氬氣保護條件

3、下利用電弧熔煉爐制備了（Ti，M）C（其中M=Mo、V、W）三類基礎(chǔ)碳化物，研究了不同含量的摻雜元素M對TiC晶體結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響及其各自的反應(yīng)機理，同時利用Materials Studio（MS）軟件，以TiC晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)計算得到了（Ti，M）C晶體結(jié)構(gòu)及相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)，并試圖從電子層面解釋了不同含量的摻雜元素對材料性能影響的本質(zhì)。
　　研究結(jié)果表明摻雜元素 M的種類及摻雜量將對（Ti，M）C的晶胞參數(shù)、密度、力學(xué)性能等

4、產(chǎn)生影響，但三類碳化物的晶體結(jié)構(gòu)都與TiC相似，均為NaCl型，且斷裂機制及制備過程的反應(yīng)機理類同，但不同的摻雜元素，其作用程度不同。具體研究結(jié)果如下：
　?。?）鑄態(tài)（Ti1-xMox）C的晶胞參數(shù)a與Mo摻雜含量之間的關(guān)系為：/()a4.3290.0157 xMo MoTi（x為Mo在金屬原子中的比例），即晶胞參數(shù)隨Mo含量的增多而線性減小。（Ti，Mo）C的密度隨x增多而線性增大，即從5.21g/cm3（x=0.1）增大至6

5、.89 g/cm3（x=0.5）；其抗彎強度及硬度隨Mo含量的增多先增大后減小，其中Ti0.6Mo0.4C的硬度及抗彎強度具有最大值，即顯微維氏硬度（Hv）為22.5Gpa、抗彎強度為576.8Mpa。熱壓燒結(jié)后的（Ti1-xMox）C系列碳化物，都表現(xiàn)出沿晶斷裂為主同時含有少量穿晶斷裂。以名義成分Ti0.5Mo0.5C為對象研究了Ti-Mo-C體系的反應(yīng)進程，球磨不會引起新相產(chǎn)生，隨后的電弧熔煉反應(yīng)過程由三個部分構(gòu)成，在高溫條件下體系

6、中首先生成Ti2C、Mo2C、TiC和MoC的混合物，隨著反應(yīng)時間延長，中間產(chǎn)物消失，最終生成TiMoC2。該反應(yīng)過程速度快，一般在20~30s內(nèi)完成。
　?。?）經(jīng)計算（Ti8-xMox）C8（x=1~4）系列碳化物的形成能均小于0，表明其在室溫下可穩(wěn)定存在；（Ti8-xMox）C8晶胞參數(shù)的理論計算值略大于實驗值，誤差小于2％，兩者符合度高。Ti5Mo3C8系的體積模量和剪切模量分別為287.05Gpa和220.39Gpa，通

7、過經(jīng)驗公式估算的硬度值為33.28Gpa，其硬度最高。Mo原子摻雜后改變了Ti-Mo-C系列碳化物內(nèi)部原子之間的成鍵作用，從而造成硬度變化。
　?。?）鑄態(tài)（Ti1-xVx）C（x=0.1~0.5）的晶胞參數(shù)a與V摻雜量x呈線性減小關(guān)系，具體表現(xiàn)為/()a4.32930.0251xV VTi。（Ti1-xVx）C的密度隨V摻雜量的增多而線性增大，由4.93g/cm3（x=0.1）增大至5.32 g/cm3（x=0.5）。（Ti1-

8、xVx）C的硬度與抗彎強度隨V摻雜量的增多先減小后增大，在x=0.3時出現(xiàn)最小值，其硬度及抗彎強度分別為15.4Gpa和387.6Mpa。Ti-V-C系列碳化物的力學(xué)性能劣于Ti-Mo-C系列。（Ti1-xVx）C碳化物的斷口顆粒尺寸隨x增大而增大，同樣包含沿晶斷裂及穿晶斷裂兩種斷裂形式。
　　（4）經(jīng)計算，（Ti8-xVx）C8（x=1~4）系列碳化物的形成能均小于0，其晶胞參數(shù)計算值與實驗值非常接近，誤差小于0.5%；（Ti8

9、-xVx）C8系列碳化物硬度的理論值與實驗值變化趨勢相同，都表現(xiàn)為隨V摻雜含量的增多先減小后增大，其中Ti5V3C8具有最低體模量、剪切模量及估算硬度值，分別為270.57Gpa、181.25Gpa及23.21Gpa。V原子的摻雜同樣改變了Ti-V-C系列碳化物中原子的成鍵作用，進而引起了其硬度的變化。
　?。?）鑄態(tài)（Ti1-xWx）C系列碳化物的晶胞參數(shù)a隨W摻雜含量的增多而線性減小，其擬合關(guān)系為/a4.33270.0462x

10、W WTi；（Ti1-xWx）C的密度隨V摻雜量的增多而線性增大，由6.15g/cm3（x=0.1）增大至10.30 g/cm3（x=0.5）；（Ti1-xWx）C的硬度與抗彎強度隨W摻雜量的增多而增大，其中Ti0.5W0.5C的硬度及抗彎強度最大，分別為26.2Gpa和589.5Mpa。（Ti1-xWx）C的的斷口包括沿晶斷裂及穿晶斷裂兩種形式，且斷口顆粒平均尺寸隨W摻雜量的增多而減小，起到晶粒細化的作用。
　?。?）（Ti8-

11、xWx）C8（x=1~4）系列碳化物的形成能均小于0，其晶胞參數(shù)隨W摻雜含量的增多而減小，基本呈線性關(guān)系，且理論計算值與實驗值非常接近，兩者的誤差小于1%；（Ti8-xWx）C8系列碳化物的體模量及剪切模量都隨W摻雜量的增多而增大，Ti4W4C8的體模量和剪切模量分別為317.19Gpa和241.69Gpa，其估算硬度值為36.49Gpa，該系列碳化物的硬度理論值與實驗值的變化趨勢相同，即隨W摻雜含量的增多而增大。（Ti8-xWx）C8