论文部分内容阅读
与过渡金属一元碳化物陶瓷比,高熵碳化物陶瓷具有更高的硬度、良好的耐磨性和抗氧化性等优点,是一种具有广泛应用前景的新型结构陶瓷。然而,高熵碳化物陶瓷存在粉体纯度低、韧性低和烧结温度高等问题。针对上述问题,本文以(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C陶瓷为研究对象,开展了高纯(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)Cx粉体合成、低温致密化和力学性能提升研究,并且首次研究了将高熵碳化物陶瓷应用在陶瓷刀具领域的可能性。本文首先通过碳热还原法合成了不同碳含量的(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)Cx（x=0.55-1.00）粉体,并通过放电等离子烧结（SPS）制备了(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)Cx陶瓷,研究了碳含量对粉体纯度、粒径和陶瓷力学性能的影响;接着,引入Si C作为第二相提升(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8陶瓷的断裂韧性;然后,引入Ni/Co金属粘结相进一步提升(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8陶瓷的断裂韧性和降低烧结温度;最后,采用放电等离子烧结结合低温液相挤出法,制备了高硬度、高韧性(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Co复相陶瓷。本文的主要研究结果如下:（1）以过渡金属氧化物和石墨为原料,通过碳热还原法在1650°C合成了具有不同碳含量的(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)Cx（x=0.55-1.00）粉体。结果表明,碳含量x=0.55时,由于碳含量不足,导致粉体中有残余Zr O2杂质;碳含量x=1.00时,由于碳含量过量,导致粉体中有残余石墨杂质;碳含量x=0.70-0.85时,合成的高熵粉体只含(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)Cx相,其它样品具有两个面心立方结构的碳化物相。粉体形貌为等轴状,高纯度粉体平均粒径在286-360 nm之间。合成的粉体中具有广泛的碳空位,少量的氧固溶进了非金属亚晶格中。（2）以上述合成的不同碳含量的(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)Cx粉体为原料,通过放电等离子烧结在2000°C制备了(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)Cx陶瓷。碳含量x=0.70-0.85时,(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)Cx陶瓷具有单一碳化物相,没有氧化物和石墨杂质,硬度和韧性都随碳含量增加而增加。(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)Cx陶瓷的晶粒尺寸为～2-4μm,硬度为～23-25 GPa,韧性为～2-3 MPa·m1/2。(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8陶瓷刀具由于韧性过低,在短时间（13 min）切削之后就产生了大面积崩刃,导致刀具快速失效。（3）为了提高(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8陶瓷的断裂韧性,引入了不同含量（10-30vol%）的Si C作为第二相,制备了高熵(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Si C复相陶瓷。随着Si C含量的增加,(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Si C复相陶瓷的韧性提高,与纯(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8陶瓷比,引入30 vol%Si C的(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Si C复相陶瓷的韧性从2.25±0.27 MPa·m1/2增加到了3.11±0.25 MPa·m1/2。(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Si C复相陶瓷的硬度保持在23 GP以上。由于韧性提升,(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Si C复相陶瓷刀具在切削过程中没有产生大面积崩刃,含10 vol%Si C的(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Si C复相陶瓷刀具具有最高的切削寿命（43min）,刀具的失效机理包括:粘结磨损、氧化磨损、磨粒磨损和微崩刃。（4）为了进一步提升(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8陶瓷的韧性,并降低烧结温度,引入了15 vol%Ni/Co金属粘结相,通过无压烧结制备了(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Ni/Co复相陶瓷。通过添加的金属粘结相,(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Ni/Co复相陶瓷在1650°C实现了低温无压致密化。引入金属粘结相后,(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Ni/Co复相陶瓷的韧性得到了大幅的提升,含有15 vol%Ni的样品韧性达到了8.90±0.51MPa·m1/2,比纯(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8陶瓷提升了～3-4倍。但是,所有样品的硬度大幅降低,只有16-17 GPa。由于硬度的大幅降低,(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Ni/Co复相陶瓷刀具切削性能并没有明显提升,含有15 vol%Co的刀具切削寿命最长（39 min）,刀具的失效机理包括:粘结磨损、磨粒磨损和氧化磨损。（5）为了在维持高硬度的前提下,提升断裂韧性,采用SPS烧结结合液相挤出法,低温制备了低Co含量的(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Co复相陶瓷,研究了烧结温度（1350-1550°C）和烧结压力（30 MPa和4.3 MPa）对(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Co复相陶瓷的物相组成、显微结构、力学性能和刀具切削性能的影响。(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Co复相陶瓷在1350°C、30 MPa烧结条件下实现了致密化,晶粒尺寸为0.44±0.09μm。(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Co复相陶瓷具有高硬度（～21-24GPa）和高韧性(～4-5 MPa·m1/2)特征。由于高硬度、高韧性和细晶粒优势,在1450°C和4.3 MPa烧结条件下制备的(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)C0.8-Co复相陶瓷刀具切削性能最好,达到了67 min,刀具的主要失效机理为:粘结磨损、磨粒磨损、氧化磨损。