纳米Ti（C，N）的机械合金化合成及其在金属陶瓷中的应用

摘要

本论文采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等实验分析手段研究了Ti-C、Ti-N、Ti-C-TiN等体系在机械球磨下的固态反应和相变机理。 本文首先综述了机械合金化技术的研究进展。简述了机械合金化的基本过程和理论模型；总结了各球磨工艺参数对机械合金化过程及最终生成物形貌、颗粒大小、物相组成等因素的影响；概述了机械合金化在材料制备中的应用。在此基础上，指出了本文的研究目的和意义。 首先以Ti-C体系为对象，研究了不同球磨环境下该体系的相变过程和反应机制。实验发现，在真空和氩气环境下，Ti-C体系按照机械诱发自蔓延反应机制合成TiC；在氢气环境下，Ti-C体系通过扩散－固溶和界面化合物生成机制合成TiC。另外研究了H2在球磨过程中对固态反应的影响，发现H2环境对TiC的合成具有延缓效应。 以Ti-N体系为对象，研究机械合金化过程中TiN的合成及其后续热处理对相变的影响。通过Ti粉在N2气氛中高能球磨，成功制备了纳米TiN粉末，且整个合金化过程由N原子扩散控制。后续热处理对机械合金化合成产物的结构、形貌、尺寸有明显的影响：随着退火温度的升高，球磨48h的TiN有序度提高，晶粒长大。 在上述研究的基础上，以Ti-C-TiN体系为对象，研究了球磨过程中Ti-C-TiN之间的固态反应以及合金元素Ni和Mo对相变过程的影响。通过在室温下的高能球磨合成了纳米Ti(C,N)，Ti(C,N)的形成是受界面扩散机制控制的。在上述体系中加入的合金元素Ni和Mo对机械合金化合成Ti(C,N)具有加速效应。 以机械合金化获得的纳米Ti(C,N)为原料，通过真空烧结制备了Ti(C,N)基金属陶瓷。研究发现：配料时加入适量的机械合金化产物能够降低烧结温度，提高扩散系数，降低界面反应的扩散能，有利于获得组织均匀，晶粒细小的金属陶瓷，从而提高金属陶瓷的综合机械性能。