Ti(C,N)-TiB2-HEA复合金属陶瓷材料制备及其组织与性能研究

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高熵合金(HEA)具有独特的成分设计理念和优异性能,是近年材料研究的热点,具有广阔的应用前景。将HEA作为金属陶瓷、WC硬质合金等硬质材料的粘结剂,可望利用HEA的特性提高硬质材料的性能,并减少Co的用量,降低材料成本。本研究选用Fe Co Ni Cr Al高熵合金作为粘结剂,采用真空热压烧结方法制备Ti(C,N)-TiB2-HEA复合金属陶瓷,研究TiB2添加量、HEA粘结剂含量、烧结温度和保温时间对其微观组织结构和力学性能的影响,以及HEA粘结剂含量对复合金属陶瓷的高温氧化性能、高温硬度和高温摩擦磨损性能的影响。结果表明:当HEA粘结剂含量为10wt.%时,随着TiB2含量的增加,复合金属陶瓷晶粒尺寸减小,致密度降低。当TiB2含量是22.5wt.%时,随着HEA粘结剂的增加,复合金属陶瓷晶粒尺寸先增大后减小,致密度提高。随着烧结温度的提高,复合金属陶瓷的断裂韧性先增加后降低,在1500℃时最佳为7.9 MPa·m1/2。在1550℃时维氏硬度和弯曲强度最佳,分别为1977.3 HV10和768.6 MPa。当烧结温度为1550℃时,随着保温时间的增加,复合金属陶瓷的力学性能先升高后降低,保温30 min时最优,维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性分别为1954.4 HV10,727 MPa,和7.9 MPa·m1/2。HEA结剂在高温下的热稳定和较好的抗氧化性能促使复合金属陶瓷表现出优异的抗氧化性能。在1000℃氧化时,HEA粘结剂复合金属陶瓷的抗高温氧化性能明显优于Ni-Co粘结剂复合金属陶瓷,前者氧化产物主要是TiO2,Al2O3和Al2TiO5、Al2Ni O4、Fe TiO3等,且氧化膜致密,氧化产物颗粒细小。后者的氧化产物主要是TiO2,另有少量的钛酸盐,且氧化产物颗粒粗大,氧化膜有裂纹。HEA粘结剂复合金属陶瓷的高温硬度高于Ni-Co粘结剂复合金属陶瓷。800℃时,两者的高温硬度分别为1335.5 HV20和996 HV20。HEA粘结剂复合金属陶瓷的高温摩擦磨损性能优于Ni-Co粘结剂复合金属陶瓷。在200℃,两者的磨损机理都是以磨粒磨损为主。400℃时,两者逐渐出现了少量的氧化磨损;600℃时,两种复合金属陶瓷除了存在磨粒磨损和氧化磨损外,还出现了少量的粘着磨损。随着温度升高到800℃,氧化磨损和粘着磨损成为两种复合金属陶瓷的主要磨损机理。
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