TiMoC添加劑制備TiC金屬陶瓷復(fù)合材料的研究

肖玄

摘 要：本文以鈦粉、鉬粉熔煉制備TiMo合金，通過理論配碳制備了TiMoC陶瓷粉體。以TiMoC為添加劑通過粉末冶金工藝制備了TiC陶瓷基復(fù)合材料。采用XRD、SEM和EDS的方法對(duì)粉體及復(fù)合材料進(jìn)行了表征。研究結(jié)果表明，TiMo合金和TiMoC陶瓷粉體均為立方晶體結(jié)構(gòu)，以TiMoC添加劑制備的TiC陶瓷基復(fù)合材料顯微組織中TiC硬質(zhì)相被富Mo的（Ti，Mo）C環(huán)形殼包裹，顯微組織得到細(xì)化，力學(xué)性能得到提高。

關(guān)鍵詞：TiMoC；TiC；金屬陶瓷；組織；性能

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(diǎn)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(rùn)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(rùn)濕性，TiCN的研究成為鈦基金屬陶瓷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)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(duì)TiC基金屬陶瓷的影響。

2 試樣的制備及方法

本實(shí)驗(yàn)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(jì)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(duì)比實(shí)驗(yàn)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。混合粉料在球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行濕磨混勻的工藝參數(shù)為：球磨時(shí)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(shí)間為1 h。

采用DX-2700型X射線衍射儀對(duì)TixMo1-x粉體及TixMo1-xC基金屬陶瓷進(jìn)行物相分析。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：管電壓40 kV、電流30 mA、Cu靶、波長(zhǎng)為1.54 ，使用單色器濾波，掃描范圍為10°～90°，步長(zhǎng)0.02°；用TESCAN VEGAⅡLMU型掃描電鏡對(duì)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(jì)上測(cè)量，加載載荷為20 kg?？箯潖?qiáng)度測(cè)試在萬(wàn)能力學(xué)性能測(cè)試儀上進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 TiMoC硬質(zhì)相的制備

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(zhǎng)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(wú)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(duì)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(rùn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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。

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?cái)U(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(rùn)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(duì)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。

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(zhǎng)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%。

參考文獻(xiàn)

[1] 儲(chǔ)開宇. 我國(guó)硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 稀有金屬與

硬質(zhì)合金，2011（01）：52-56.

[2] 付龍，柳學(xué)全，李一等. 國(guó)內(nèi)外礦用高耐磨、高韌性硬質(zhì)合金新

技術(shù)[J]. 硬質(zhì)合金，2012（04）：254-261.

[3] Liu Ning， Xu Yudong， Li Zhenhong， Chen Minghai， Li Guanghai，

Zhang Lide. Influence of molybdenum addition on the

microstructure and mechanical properties of TiC-based cermets

with nano-TiN modification [J]. Ceramics International， 2003， 29

（8）： 919-925.

[4] Brown I. Fabrication， microstructure and properties of Fe–TiC

ceramic–metal composites [J]. Current Applied Physics， 2004， 4

（2-4）： 171-174.

[5] Abkowitz Stanley， Abkowitz Susan M， Fisher Harvey， Schwartz

Patricia J. discontinuously reinforced Ti-matrix composites：

Manufacturing， properties， and applications [J]. JOM Journal of

the Minerals， Metals and Materials Society， 2004， 56（5）： 37-41.

[7] Ahn Sun‐Yong， Kang Shinhoo. Formation of Core/Rim Struc

tures in Ti （C， N）‐WC‐Ni Cermets via a Dissolution and

Precipitation Process [J]. Journal of the American Ceramic

Society， 2000， 83（6）： 1489-1494.

[8] Welham Nicholas J， Willis Paul E， Kerr Tony. Mechanochemical

formation of metal–ceramic composites [J]. Journal of the

American Ceramic Society， 2000， 83（1）： 33-40.

[9] Bin Z， Ning L， Zhibo J， et al. Effect of VC/Cr3C2 on

microstructure and mechanical properties of Ti（C，N）-based

cermets[J]. Science Direct. 2011， 4（43）： 1096-1104

[10] Xia Yu Y， Ji X， Zhi xing G， et al. Effect of VC addition on the

microstructure and properties of Ti（C，N）-basednano cermets[J].

RARE METALS. 2011， 6（30）： 583-587.

[11] Ning L， Minghai C， Yu dong X， et al. Effect of Various Carbides

on the Wet ability in Ni /Ti （C， N）System[J]. Journal of Wuhan

University of Technology. 2005， 3（20）： 35-38.

[12] Kim S，.Min KH，Kang S.Rim structure in Ti（C0.7N0.3）-WC-Ni

cermets [J]. J Am Ceram Soc， 2003， 86（10）： 1761一1766.

[13] 姜中濤，葉金文，劉穎. 碳熱還原法制備V8C7粉末的研究[J].

功能材料，2009，5（40）：820-822.

[14] 姜中濤，劉穎，陳巧旺.V2O5碳熱還原合成碳化釩粉末的反應(yīng)

過程[J].粉末冶金技術(shù)，2012，30（01）：40-45.

[15] MARI D， BOLOGNINI S， FEUSIER G， et al. TiMoCN based

cermets： Part I. Morphology and phase composition[J].

International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，

2003，21（1）：37-46.

[16] 章曉波，劉寧. Mo含量對(duì)Ti（C，N）基金屬陶瓷組織和性能的影

響[J]. 硬質(zhì)合金，2006，23（03）：160-163.

[17] S. Q. Zhou，W. Zhao，W. H. Xiong， et.al. EFFECT OF Mo AND

Mo2C ON THE MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF

THE CERMETS BASED ON Ti（C，N）[J]. Acta Metallurgica

Sinica，2008，21（3）：211-219.