基于机械化学法制备TiC基金属陶瓷的研究

摘要

机械化学法制备的粉末具有化学成分均匀、颗粒尺寸细小、粒度分布窄等特点，而且制备效率高、成本低、工艺过程简单，因而在超细粉末合成与制备方面具有较大的优势。本文将机械化学法应用于TiC基金属陶瓷制备领域，利用Ti-C反应高放热的特点，通过高能球磨诱发的自蔓延反应（机械诱发自蔓延反应）制备了TiC基固溶体粉末、金属陶瓷复合粉末、TiC-TiB2复合粉末以及TiC-Ni3Al陶瓷与金属间化合物复合粉末，并对采用这些合成粉末制备的TiC基金属陶瓷的显微组织与力学性能进行了研究。
　　以Ti、Mo、W、Ta和石墨粉末为原料，采用机械诱发自蔓延反应制备了(Ti,Mo)C、(Ti,W)C和(Ti,Ta)C固溶体粉末，并以此为陶瓷相原料与Ni混合后制备了金属陶瓷。研究结果表明，高能球磨引发了Ti-C之间的自蔓延反应，Mo、W和Ta原子借助于反应热固溶于新生成TiC中，形成了(Ti,Mo)C、(Ti,W)C和(Ti,Ta)C固溶体。固溶体颗粒在烧结时发生选择性溶解和析出现象，使得固溶体金属陶瓷显微组织中出现芯/环结构，但该类芯、环之间的成分差异较小，因而固溶体金属陶瓷具有较高的断裂韧性。
　　以Ti、W、Mo、Ta、Ni和石墨粉末为原料，采用机械诱发自蔓延反应合成了(Ti,M)C-Ni金属陶瓷复合粉末（M=W、Mo、Ta）。结果表明，球磨引发了Ti-C之间的自蔓延反应并使得金属颗粒熔化，冷却时少量熔体具有较快凝固速度而形成一些尺寸为1-15mm的不规则块体，大部分熔体则在凝固过程中受到磨球碰撞冲击形成超细粉末。采用上述复合粉末制备的金属陶瓷组织中无芯/环结构晶粒较多，而少数具有芯/环结构的晶粒其芯相和环形相间的成分差异较小，并且它们之间具有共格界面。陶瓷相与金属粘结相之间的界面具有较高的结合强度，它们之间存在一层微晶结构过渡层，这是金属陶瓷界面中一种比较理想的结合方式。以上界面特征都使得基于机械诱发自蔓延反应的TiC基金属陶瓷具有较高的断裂韧性，其中(Ti,W)C-Ni高达13.27 MPa·m1/2，同时其硬度和抗弯强度与传统金属陶瓷相当。该类金属陶瓷的韧化机理是裂纹偏转增韧和裂纹桥连增韧。
　　以Ti、B、Ni和石墨粉末为原料，采用机械诱发自蔓延反应制备了不同TiC/TiB2质量比的TiC-TiB2复合粉末和TiC-TiB2-Ni金属陶瓷复合粉末。结果表明，高能球磨无法点燃Ti与B之间的自蔓延反应，整个体系的自蔓延反应是基于Ti-C首先被点燃而引发的。TiC-TiB2金属陶瓷采用真空烧结工艺难以完全致密化，随着 TiB2含量增加其孔隙率上升。TiC-TiB2金属陶瓷的硬度变化趋势较复杂，其中质量比TiB2/TiC=3/7时硬度最高，为16.32GPa。TiC-TiB2金属陶瓷的抗弯强度和断裂韧性随着TiB2含量增加而下降，材料的孔隙率对这两项性能的影响较大。烧结体中的孔隙主要存在于陶瓷晶粒内部，故TiC-TiB2金属陶瓷呈现出明显穿晶断裂特征。
　　以Ti、Ni、Al和石墨粉末为原料，采用机械诱发自蔓延反应制备了不同Ni3Al含量的TiC-Ni3Al复合粉末。研究结果表明，原子比Ni/Al=3/1的Ni、Al混合粉末不能发生机械诱发自蔓延反应。球磨首先点燃Ti-C的反应，进而引发了整个体系的自蔓延反应。机械诱发自蔓延反应过程中形成球形TiC颗粒必须满足的条件有两个：（1）满足或接近TiC化学计量比；（2）体系具有能够使颗粒完成粗糙化转变的温度。随着Ni3Al含量增加，TiC-Ni3Al金属陶瓷的硬度和孔隙率下降，但抗弯强度和断裂韧性显著提高，并且显微组织中陶瓷晶粒也明显细化。
　　以Ti和三聚氰胺为原料，采用机械化学法制备了粒度为10-20nm的Ti(C,N)固溶体粉末，其化学成分为Ti(C0.37N0.63)0.94。Ti(C,N)的合成属于机械化学中的逐步扩散反应机制。三聚氰胺在机械化学反应过程中不仅起着反应物的作用，还起着过程控制剂的作用，虽然抑制了反应的进行，但却细化了粉末颗粒，在纳米Ti(C,N)颗粒合成过程中具有重要作用。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 机械化学简介

1.2 机械诱发自蔓延反应

1.3 TiC和Ti(C,N)基金属陶瓷及其研究现状

1.4 本文研究的目的、意义及内容

2 试验材料的制备及研究方法

2.1成分设计原则与制备工艺

2.2材料的分析测试方法

3 基于机械诱发自蔓延反应制备TiC基固溶体金属陶瓷的组

3.1 前言

3.2试验方法

3.3固溶体粉末的合成

3.4 TiC基固溶体金属陶瓷的显微组织与力学性能

3.5 本章小结

4 TiC基金属陶瓷复合粉末的MSR合成及烧结体组织与性能

4.1 前言

4.2 试验方法

4.3 反应产物的结构与特征

4.4 金属陶瓷复合粉末的合成机理

4.5 烧结体的显微组织与力学性能

4.6 金属陶瓷的韧化机理

4.7 本章小结

5 TiC-TiB2金属陶瓷的制备及组织与性能的研究

5.1 前言

5.2试验方法

5.3 TiC-TiB2复合粉末的合成

5.4 TiC-TiB2金属陶瓷的显微组织与力学性能

5.5 本章小结

6 以金属间化合物为粘结剂的TiC基金属陶瓷的制备及组织

6.1 前言

6.2 试验方法

6.3 TiC-Ni3Al复合粉末的合成

6.4 TiC-Ni3Al金属陶瓷的显微组织与力学性能

6.5 本章小结

7 机械化学法制备纳米Ti(C,N)固溶体粉末的研究

7.1前言

7.2 试验方法

7.3 实验结果

7.4 纳米Ti(C,N)的合成机制

7.5 本章小结

8 结论与创新点

8.1 结论

8.2 创新点

参考文献

致谢

附 录 攻读学位期间发表的论文及申请的专利

1．已发表的论文：

2．已授权专利：