微孔贯通型金属陶瓷基体的制备及其二维相场模拟

摘要

以粉末冶金法制备微孔贯通型基体，将熔融状态的固体润滑剂熔渗到基体孔隙中，以获得熔渗型高温自润滑复合材料，该材料能实现高温、高速等特殊工况下的自润滑，具有广阔的应用前景。为制备该材料，需要先制备具有贯通微孔结构的基体，基体的孔隙结构影响材料力学性能、熔渗过程和润滑剂析出过程，因此合理控制基体的孔隙结构有助于制备强韧性和自润滑性能有机统一的熔渗型高温自润滑复合材料。
　　本文建立了微孔贯通型基体的孔结构模型，基于成形和烧结过程中颗粒体积不变及孔径分布近似为瑞利分布的假设，对该模型进行数学分析，导出了不同堆积模式下平均孔径和孔径分布的数学表达式，为孔隙控制及孔径测量提供依据。由此表达式可知，平均孔径和孔径分布与基体理论密度、实际密度、基体粉末平均粒径等参数有关。
　　根据自由能函数法建立相场模型，结合初始条件和边界条件编制程序，模拟四颗粒模型、五颗粒模型及微孔基体的孔隙演化过程，研究孔隙演化规律。结果表明：随着烧结的进行，较小的孔隙会球化变小直至消失，中等大小的孔隙会球化并逐渐变大，最后只剩余较大的孔隙；压坯初始孔隙度、压坯初始孔径和烧结温度等参数影响孔隙演化过程。
　　添加在烧结过程中持续分解的复合造孔剂，制备M3/2/TiC系金属陶瓷基体，验证孔径计算方程和相场模型，并研究复合造孔剂配比、复合造孔剂添加量和烧结温度对基体孔隙结构和力学性能的影响。结果表明：平均孔径和孔径分布的计算值和试验值基本吻合，本文推导的孔径计算方程可以较好地描述孔径大小和孔径分布；相场法测得的孔隙度与试验值基本吻合，本文建立的孔隙演化模型，能够用于模拟孔隙演化过程；复合造孔剂添加量增大，基体总孔隙度、开口孔隙度和开口孔隙率增大，基体硬度和压溃强度降低；烧结温度升高，基体总孔隙度、开口孔隙度和开口孔隙率减小，基体硬度和压溃强度提高；TiH2与CaCO3的体积比增大，开口孔隙度和总孔隙度增大，开口孔隙率先增大后减小（TiH2:CaCO3=40:60时，开口孔隙率最大）。
　　利用正交试验优化基体制备工艺。基于前述对孔隙演化过程的分析，选取孔隙度的影响因素（造孔剂添加量，造孔剂配比，烧结温度），确定各个因素的水平，按正交试验表L9(34)设计正交试验。通过二维相场法模拟相应水平下的孔隙度，通过试验方法测得各种水平下的基体硬度和压溃强度，通过数据处理得到最优的制备工艺为：添加6％的复合造孔剂，TiH2与CaCO3体积比为40:60，烧结温度1250℃。按照最优工艺制备的金属陶瓷基体，内部孔隙贯通性较高，横向断面孔隙孔径相差不大，且孔隙形状近似为圆形，纵向断面孔隙为管状，这种结构便于熔渗和析出固体润滑剂。