Ni3Al粘結(jié)金屬陶瓷制備工藝、組織結(jié)構(gòu)及性能的研究.pdf

1、金屬間化合物Ni3Al以其高硬度，高熔點(diǎn)，優(yōu)異的抗氧化性和耐磨蝕性，以及強(qiáng)度在950℃以內(nèi)與溫度的正相關(guān)性等性能而越來越受到專家學(xué)者們的關(guān)注。近年來，國(guó)內(nèi)外關(guān)于Ni3Al用作硬質(zhì)合金和金屬陶瓷粘結(jié)劑的研究也逐漸深入。本文采用機(jī)械合金化法制備金屬間化合物Ni3Al，并以此替代傳統(tǒng)粘結(jié)劑Ni和/或Co，制備金屬陶瓷，以期獲得適合在高溫條件下服役的金屬陶瓷材料。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以Ni粉和Al粉為原料，采用機(jī)械合金化法制備Ni

2、3Al粉末。高能球磨過程中Al粉經(jīng)反復(fù)地破碎冷焊而進(jìn)入Ni基體中生成無序態(tài)的Ni(Al)固溶體；進(jìn)一步球磨，生成Ni3Al金屬間化合物。硬脂酸在機(jī)械合金化中起到緩和反應(yīng)和細(xì)化粉末顆粒的作用，而過量硬脂酸添加則會(huì)使反應(yīng)無法順利進(jìn)行。研究發(fā)現(xiàn)：添加0.5 wt％硬脂酸能成功制得Ni3Al粉末，而添加1 wt%硬脂酸時(shí)難以合成Ni3Al。⑵Ni3Al粘結(jié)的Ti(C,N)基金屬陶瓷的組織形貌表現(xiàn)為弱芯/環(huán)結(jié)構(gòu)，環(huán)形相不完整。金屬陶瓷抗彎強(qiáng)度隨N

3、i3Al含量增加明顯升高，金屬陶瓷抗彎強(qiáng)度基本上隨燒結(jié)溫度的上升而升高，但當(dāng)燒結(jié)溫度為1450℃時(shí)，試樣的抗彎強(qiáng)度值達(dá)到最大值，為1131±80.3 MPa；金屬陶瓷的硬度隨Ni3Al含量增加和燒結(jié)溫度升高先增大后減小，Ni3Al含量25 wt%，燒結(jié)溫度1450℃時(shí)達(dá)到最大值。⑶研究WC添加對(duì)Ni3Al粘結(jié)TiC基金屬陶瓷組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，金屬陶瓷組織表現(xiàn)為黑芯-白環(huán)結(jié)構(gòu)硬質(zhì)相顆粒鑲嵌在灰色粘結(jié)相中；隨著WC含量的增

4、加，環(huán)形相逐漸變得完整，厚度逐漸增加，同時(shí)芯相逐漸細(xì)化。金屬陶瓷中粘結(jié)相與環(huán)形相之間表現(xiàn)為兩種結(jié)合方式，即直接結(jié)合和通過厚度1～3nm的微晶過渡層結(jié)合，環(huán)形相與芯相之間為完全共格的結(jié)合方式，環(huán)形相中W含量基本上均勻分布，使環(huán)形相靠近粘結(jié)相側(cè)富含 W，從而構(gòu)成與粘結(jié)相較為理想的結(jié)合。隨著 WC含量增加，材料的致密化程度提高，材料的硬度和抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在WC含量為25wt%時(shí)達(dá)到最大，分別為90.9 HRA(HV3015

5、GPa)和1629 MPa。材料斷裂韌性也呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律，在WC添加量為20 wt%時(shí)達(dá)到最大值，為11.6 MPa·m1/2。⑷Ni3Al粘結(jié)金屬陶瓷的斷裂形式是硬質(zhì)相顆粒的穿晶斷裂和沿硬質(zhì)相與粘結(jié)相之間界面處斷裂的沿晶斷裂。隨WC含量的增加，穿晶斷裂逐漸向沿晶斷裂轉(zhuǎn)變，而當(dāng)WC含量≥25 wt%時(shí)，易發(fā)生環(huán)形相的穿晶斷裂。裂紋通過大顆粒時(shí)易發(fā)生穿晶斷裂，而裂紋通過小顆粒時(shí)則會(huì)發(fā)生沿晶斷裂。金屬陶瓷斷口形貌主要表現(xiàn)為硬質(zhì)相顆粒解理

6、斷裂面和硬質(zhì)相顆粒脫粘引起金屬撕裂棱的混合斷裂形式。⑸不同Mo含量金屬陶瓷也表現(xiàn)為芯/環(huán)結(jié)構(gòu)硬質(zhì)相顆粒鑲嵌在粘結(jié)相中，芯/環(huán)結(jié)構(gòu)為黑芯-白環(huán)結(jié)構(gòu)。當(dāng)Mo含量達(dá)到15 wt%時(shí)，出現(xiàn)灰白色外環(huán)-白色內(nèi)環(huán)-黑芯結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)相顆粒，液相燒結(jié)過程中Mo趨向于在碳化物表面聚集析出。Ni3Al粘結(jié)金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度和硬度隨Mo含量增加先增大后減小，在添加8 wt%Mo時(shí)達(dá)到最大值，分別為1396 MPa和HRA91.0。⑹采用高能球磨輔助碳熱還原法制

7、備不同 W含量的(Ti1-xWx)C固溶體粉末（x=0.05，0.15，0.25和0.35），并以其為硬質(zhì)相制備出(Ti1-xWx)C-Ni3Al金屬陶瓷，結(jié)果表明，(Ti,W)C-Ni3Al金屬陶瓷組織表現(xiàn)為具有“弱芯/環(huán)”結(jié)構(gòu)的碳化物顆粒鑲嵌在Ni3Al粘結(jié)相中，隨著固溶體中W含量增加，芯/環(huán)結(jié)構(gòu)變得不明顯，且陶瓷顆粒襯度逐漸下降。隨著(Ti,W)C固溶體中 W含量增加，金屬陶瓷致密化程度提高，材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性明顯升高，達(dá)到

8、的最高值分別為1609 MPa和13.0 MPa·m1/2。隨著W含量增加，材料的硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，x=0.15時(shí)獲得最大值HV301093。⑺從室溫至900℃，Ni3Al粘結(jié)金屬陶瓷抗彎強(qiáng)度隨溫度升高而逐漸增加，900℃時(shí)，材料強(qiáng)度相對(duì)于室溫提高了約20%。高溫氧化實(shí)驗(yàn)表明，Ni3Al粘結(jié)金屬陶瓷的高溫氧化增重小于Ni粘結(jié)金屬陶瓷；氧化增重符合氧化方程(Δm/S)=kn t0.6，800℃、900℃、1000℃三個(gè)氧化溫度下

9、的氧化速率常數(shù)kn分別為0.157，0.912，2.27；Ni3Al粘結(jié)金屬陶瓷的氧化行為屬于偽拋物線氧化動(dòng)力學(xué)行為。高溫氧化時(shí)，Ni3Al粘結(jié)相氧化生成“雙氧化物”-NiAl2O4，能有效抑制 O2在粘結(jié)相中的擴(kuò)散，從而提高粘結(jié)相的抗氧化能力。Ni3Al粘結(jié)金屬的氧化截面由氧化層、氧化過渡層和基體組成，氧化層中存在明顯的孔洞，過渡層中也存在少許孔洞。Ni3Al粘結(jié)金屬陶瓷氧化層厚度隨氧化溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加。氧化過程中金屬