TiMoC添加劑制備TiC金屬陶瓷復(fù)合材料的研究

肖玄

（攀枝花學(xué)院材料工程學(xué)院，攀枝花 617000）

1 引言

金屬陶瓷具有高強(qiáng)度、耐磨性好、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能優(yōu)良以及耐腐蝕等優(yōu)點而被廣泛用于機(jī)械、電子、化工、汽車等領(lǐng)域[1-6]。TiC是重要的金屬陶瓷原料，由于TiC和金屬粘結(jié)相的潤濕性較差使得制備的TiC基金屬陶瓷韌性偏低，從而限制了其大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。N的引入能夠改善TiC硬質(zhì)相和金屬陶瓷的潤濕性，TiCN的研究成為鈦基金屬陶瓷領(lǐng)域的研究熱點。Mo是TiCN基金屬陶瓷必不可少的重要添加劑[7-12]。但是Mo一般以Mo粉或Mo2C的形式作為添加劑使用。本實驗以自制的TiMoC固溶粉體為Mo元素的添加劑載體，研究了TiMoC固溶體的添加對TiC基金屬陶瓷的影響。

2 試樣的制備及方法

本實驗首先將鈦粉和Mo粉按摩爾比1∶1冶煉成TiMo合金，并將其氫化制粉。然后將TiMo粉按計量比配石墨，經(jīng)球磨混勻后壓制成柱狀圓坯于1700℃真空燒結(jié)制備TiMoC固溶粉體。

TiC基金屬陶瓷的制備為市售TiC添加金屬Co、Ni粘結(jié)相合成。其中，TiC含量為80%、粘結(jié)相占20%、Co含量為12%、Ni含量為8%。添加TiMoC固溶粉體的TiC基金屬陶瓷對比實驗中，TiMoC的添加量為5%。其中，市售Ti粉純度大于99.5%，粒度為 400目。Mo粉純度為99.9%，粒度為2.6 um。Ni粉純度為99.85%，粒度為-200目。Co粉純度為99%，粒度為-200目?；旌戏哿显谇蚰C(jī)內(nèi)進(jìn)行濕磨混勻的工藝參數(shù)為：球磨時間為8 h，球磨轉(zhuǎn)速為200 r/min?；旌戏哿细稍锖笤?50 MPa壓力下壓制成形。壓坯經(jīng)真空燒結(jié)制得TiC基金屬陶瓷，燒結(jié)溫度為1430℃，保溫時間為1 h。

采用DX-2700型X射線衍射儀對TixMo1-x粉體及TixMo1-xC基金屬陶瓷進(jìn)行物相分析。實驗參數(shù)為：管電壓40 kV、電流30 mA、Cu靶、波長為1.54，使用單色器濾波，掃描范圍為10°～90°，步長0.02°；用TESCAN VEGAⅡLMU型掃描電鏡對添加TiMoC的TiC基金屬陶瓷顯微組織進(jìn)行觀察。維氏硬度在HV-50A圖像處理計上測量，加載載荷為20 kg?？箯潖?qiáng)度測試在萬能力學(xué)性能測試儀上進(jìn)行。

3 實驗結(jié)果分析與討論

3.1 TiMoC硬質(zhì)相的制備

圖1 TiMo合金的XRD圖譜

圖2 TiMoC硬質(zhì)相的XRD圖

圖1為Ti粉和Mo粉熔煉合成的Ti0.5Mo0.5合金XRD衍射圖。從圖1中可以看出，產(chǎn)物為單一的Ti0.5Mo0.5(JCPDS04-004-8876)立方相。Ti0.5Mo0.5相的衍射晶面由（110）、（200）、（211）、（220）、（310）組成，晶格常數(shù)為 a=3.175。將Ti0.5Mo0.5合金氫化后研磨成粉體，按理論配碳制備的TiMoC陶瓷硬質(zhì)相的物相衍射結(jié)果如圖2所示。Ti0.5Mo0.5相轉(zhuǎn)化為 Ti0.33Mo0.67C (JCPDS04-002-9769)立方相。Ti0.33Mo0.67C的衍射晶面由 （111）、（200）、（220）、（311）、（222）、（400）組成，晶格常數(shù)為a=4.326。Ti0.5Mo0.5形成Ti0.33Mo0.67C立方相的過程導(dǎo)致立方晶胞長大。此外，圖1和圖2中的衍射晶面指數(shù)均屬于全奇全偶分布，說明Ti0.5Mo0.5和Ti0.33Mo0.67C立方相結(jié)構(gòu)中原子間呈無序分布[13-14]。

3.2 TiC金屬陶瓷的顯微組織分析

將合成的Ti0.33Mo0.67C以添加劑組分制備的TiC基金屬陶瓷，和未添加Ti0.33Mo0.67C制備的TiC基金屬陶瓷顯微組織對比如圖3所示。從圖3中可以看出，相同放大倍數(shù)下添加Ti0.33Mo0.67C后制備的TiC基金屬陶瓷顯微組織得到了明顯的細(xì)化，孔隙率大幅降低。主要是由于高溫?zé)Y(jié)過程中硬質(zhì)相TiC和粘結(jié)相的潤濕性較差，液相形成后部分TiC溶解到粘結(jié)相中，未溶解的TiC顆粒相接觸從而聚集長大。溶解在粘結(jié)相中的TiC隨后在未溶解TiC顆粒上析出。因此，圖3(a)中可以看出聚集長大的硬質(zhì)相TiC顆粒。添加Ti0.33Mo0.67C后，Mo元素溶解在粘結(jié)相中優(yōu)先擴(kuò)散到硬質(zhì)相TiC顆粒周圍形成包覆層，包覆組織的出現(xiàn)避免了TiC顆粒之間的直接接觸，從而有效抑制了燒結(jié)過程中 TiC顆粒的粗化長大[15-17]。進(jìn)一步將添加Ti0.33Mo0.67C后制備的TiC基金屬陶瓷顯微組織中的包覆結(jié)構(gòu)進(jìn)行了EDS成份分析。

圖3 TiC基金屬陶瓷背散射顯微組織圖

添加Ti0.33Mo0.67C后所得TiC基金屬陶瓷顯微組織中黑芯區(qū)和包覆殼區(qū)的EDS成份分析結(jié)果分別如圖4所示。從圖4中可以看出，芯部a區(qū)域主要由Ti和C元素組成，包覆殼b區(qū)域由Ti、C和Mo元素組成。由此可知，Mo元素擴(kuò)散到TiC硬質(zhì)相周圍和TiC顆粒發(fā)生固溶形成TiMoC。包覆層結(jié)構(gòu)改善了TiC硬質(zhì)相和粘結(jié)相的潤濕性，使得TiC基金屬陶瓷組織更加致密。

3.3 綜合力學(xué)性能分析

TiC基金屬陶瓷的綜合力學(xué)性能結(jié)果如表1所示。與未添加 Ti0.33Mo0.67C制備的TiC基金屬陶瓷相比，添加Ti0.33Mo0.67C后制備的 TiC基金屬陶瓷抗彎強(qiáng)度從 427 MPa提高到835 MPa，提高了43%。硬度從HV1325增加到HV1480，提高了10%。對比數(shù)據(jù)，說明TiMoC作為添加劑可以改善TiC基金屬陶瓷的顯微組織，從而提高其綜合力學(xué)性能。

圖4 TiC基金屬陶瓷EDS能譜圖

表1 TiC基金屬陶瓷綜合力學(xué)性能值

4 結(jié)論

（1）Ti0.5Mo0.5合金配碳后形成Ti0.33Mo0.67C立方相導(dǎo)致晶格常數(shù)增加，衍射晶面均為全奇全偶規(guī)則。

（2）添加Ti0.33Mo0.67C后制備的TiC基金屬陶瓷顯微組織得到了明顯的細(xì)化，孔隙率大幅降低。Mo元素在燒結(jié)過程中擴(kuò)散到TiC硬質(zhì)相周圍形成包覆殼，阻礙了TiC顆粒的粗化長大。

（3）添加Ti0.33Mo0.67C后制備的TiC基金屬陶瓷力學(xué)性能提高，抗彎強(qiáng)度提高了43%，硬度提高了10%。

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