鑄造/SHS 法制備TiC-Al2 O3 鋼基表面復(fù)合層的研究①

焦玉鳳， 金大明， 寧國(guó)輝， 叢廣慧， 潘興強(qiáng)， 申唯理， 張秋征

(1.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007;2.佳木斯市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究所，黑龍江 佳木斯154003)

0 引 言

機(jī)械設(shè)備失效不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，而且常常危及生命安全［1］. 本文采用Ti - C - Al -Fe2O3體系，結(jié)合SHS/和鑄造兩種工藝，制備TiC-Al2O3增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料. 目前，在鋼基復(fù)合材料的研究和開發(fā)工作上，已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展.如華中科技大學(xué)的嚴(yán)有為［2］提出了反應(yīng)鑄造法，并利用反應(yīng)鑄造法制備了TiC 顆粒增強(qiáng)鑄造鋼基復(fù)合材料;吉林大學(xué)趙玉謙［3，4］等利用SHS 反應(yīng)內(nèi)生TiC 顆粒增強(qiáng)的鋼基復(fù)合材料等，本文首次提出采用Ti-C -Al -Fe2O3體系制備TiC -Al2O3增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料，優(yōu)化工藝，降低成本，具有重要的研究?jī)r(jià)值.

1 實(shí)驗(yàn)方法

該體系實(shí)驗(yàn)原材料均采用純度為99%，粒度為75μm 的金屬粉末.

本實(shí)驗(yàn)選擇Ti -C -Al -Fe2O3反應(yīng)體系，將四種粉末以適當(dāng)比例充分的混合，以200r/min 的轉(zhuǎn)速球磨3h.然后將混合后的粉末壓制成預(yù)制塊.將經(jīng)過干燥和預(yù)熱后的預(yù)制塊放置在需要陶瓷顆粒增強(qiáng)的部位，合箱后，用10kg 堿性中頻感應(yīng)爐熔煉鋼液，待鋼液均勻熔化后澆入已經(jīng)放置好預(yù)制塊砂型中，預(yù)制塊由于鋼液的高溫被引燃，發(fā)生了高溫自蔓延反應(yīng)，生成Al2O3，TiC 顆粒.結(jié)合XRD 及DSC 分析，為研究該體系反應(yīng)合成Al2O3，TiC 提供了理論依據(jù).

2 熱力學(xué)分析

Ti - C - Al - Fe2O3體系的反應(yīng)溫度約為1600℃(高于鋼的熔化溫度).該反應(yīng)體系是多組元間的(Ti，Al，C 和Fe2O3)化學(xué)反應(yīng). 根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算，繪制出該體系生成產(chǎn)物的△G 隨T 變化的曲線.

圖1 主要產(chǎn)物的自由能與熱力學(xué)溫度關(guān)系曲線

如圖1 所示，該體系生成產(chǎn)物均能自發(fā)產(chǎn)生.TiC 和Al2O3的吉布斯自由能很低，尤其是Al2O3，說明Al2O3非常穩(wěn)定.因此Al -Fe2O3之間極易發(fā)生鋁熱反應(yīng). 根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，TiC 較Fe2Ti、Fe3C 易自發(fā)生成，其自由能遠(yuǎn)低于上述兩種化合物.高比強(qiáng)度和比模量的TiC 和Al2O3兩種陶瓷顆粒均勻分散在基體中，是理想的增強(qiáng)相顆粒.另外，又對(duì)該體系進(jìn)行差熱分析及XRD 分析兩種測(cè)試方法，結(jié)果與上述分析吻合，由此證明該體系最終能夠獲得原位自生Al2O3-TiC 顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料，而且避免產(chǎn)生副產(chǎn)物.

圖2 不同緊實(shí)率制備的增強(qiáng)區(qū)形貌

圖3 Al 含量對(duì)增強(qiáng)顆粒尺寸的影響

3 動(dòng)力學(xué)分析

3.1 壓坯緊實(shí)率對(duì)顆粒尺寸及增強(qiáng)區(qū)孔隙率的影響

壓坯緊實(shí)率對(duì)制備復(fù)合材料反應(yīng)區(qū)致密度的影響見圖2.

如圖2 所示，55% ～65%緊實(shí)率的壓坯，形成的復(fù)合材料孔隙率很低，這是因?yàn)槿刍匿撘涸?5% ～65%緊實(shí)率的壓坯中浸透能力最強(qiáng)，所以孔隙率較低，并且基體與增強(qiáng)區(qū)具有良好的冶金界面結(jié)合.隨著緊實(shí)率的增加，陶瓷增強(qiáng)相致密度較低，在掃描電鏡下可以看到宏觀的孔洞. 分析其原因，熔化鋼液的浸透能力隨著緊實(shí)率的增加而降低.尤其是壓坯緊實(shí)率大于75%，基體與增強(qiáng)相間出現(xiàn)了裂縫，結(jié)合強(qiáng)度降低.

3.2 Al 含量對(duì)增強(qiáng)區(qū)顯微組織的影響

圖3 為Al 含量對(duì)本研究體系生成產(chǎn)物的形貌影響.隨著過量Al 元素的增加，反應(yīng)生成的Al2O3，TiC 陶瓷顆粒尺寸逐漸減小，分布也更均勻，顆粒形貌為近球形，尺寸由3 ～5μm 減少到1μm. 究其原因，一是隨著Al 元素含量的增高，稀釋作用不斷增強(qiáng)，原子間的擴(kuò)散距離變大，同時(shí)Al 溶液也阻礙了Ti 在C 附近的擴(kuò)散. 另一方面由于Al 含量降低，體系的絕熱溫度高，原子停留在液態(tài)的時(shí)間增加，進(jìn)行反應(yīng)的顆粒具有充分?jǐn)U散的時(shí)間，有利于Al2O3，TiC 的生長(zhǎng).所以，Al 元素含量增高可以獲得到細(xì)小的顆粒增強(qiáng)相，但Al 含量不宜過高從而導(dǎo)致基體變脆.

圖4 為過量Al 元素不同含量復(fù)合材料的XRD衍射圖譜.過量Al 元素含量為0，30，50，70wt.%.隨著過量Al 元素含量的增加，增強(qiáng)相顆粒分布更均勻，尺寸逐漸減小.分析其原因，隨著Al 含量的增加，體系燃燒溫度逐漸下降，增強(qiáng)相顆粒的生長(zhǎng)速度與反應(yīng)熱力學(xué)溫度為指數(shù)關(guān)系. 所以Al2O3，TiC 增強(qiáng)相的尺寸隨著Al 元素含量的增加迅速減小.另外，鋁熱反應(yīng)生成Al2O3，并釋放大量熱量，為生成TiC 提供了反應(yīng)所需的熱量. 另一方面，隨著過量Al 元素含量的增加，剩余的Al 存在，促進(jìn)了基體中的Fe 與Al 的結(jié)合，生成了AlFe，如圖(c)、(d)所示.結(jié)合該體系XRD 結(jié)果進(jìn)一步分析，過量Al 元素含量為0 ～70wt.%，成功制備了Al2O3和TiC 陶瓷相增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料，與第二章熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果吻合.

4 結(jié) 論

(1)通過熱力學(xué)計(jì)算及XRD 和DSC 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在溫度低于2000K 時(shí)，本研究體系(Ti -C -Al-Fe2O3)，采用鑄造和自蔓延高溫合成兩種工藝，可以生成穩(wěn)定的Al2O3-TiC/鋼基復(fù)合材料.

(2)壓坯緊實(shí)率為60%時(shí)，高溫鋼液的浸滲能力最強(qiáng)，SHS 反應(yīng)非常徹底，顆粒分布比較均勻，顆粒尺寸為3 ～4μm. 壓坯緊實(shí)率的進(jìn)一步增加，陶瓷顆粒尺寸逐漸減小，由5μm 減小到1μm 左右.

圖4 不同Al 含量的鋼基表面復(fù)合層XRD 衍射圖譜

(3)隨著過量Al 元素含量的增加，陶瓷顆粒分布更均勻;增強(qiáng)相顆粒尺寸呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，由6μm 減小到2μm 左右.

［1］ 焦玉鳳. Ti-C-Al -Fe2O3反應(yīng)體系的熱力學(xué)及形成產(chǎn)物分析［J］. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，(3):408-411.

［2］ 嚴(yán)有為，魏伯康，林漢同. 原位TiC 顆粒增強(qiáng)鑄造鋼基復(fù)合材料制備工藝［J］. 特種鑄造及有色合金，2002 (5):19 -21.

［3］ 趙玉謙. TiC 顆粒局部增強(qiáng)鑄造鋼基復(fù)合材料的制備［D］.吉林:吉林大學(xué)，2005，12.

［4］ 趙玉謙，姜啟川，趙宇光. 我國(guó)顆粒增強(qiáng)鋼基鑄造復(fù)合材料研究的現(xiàn)狀［J］. 鑄造，2003，11(52):1041 -1045.