放電等離子燒結(jié)Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)與磨削性能

梁寶巖，張旺璽，馮燕翔

(1. 中原工學(xué)院 材料與化工學(xué)院，鄭州 451191；2. 金剛石技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 451191)

放電等離子燒結(jié)Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)與磨削性能

梁寶巖1,2，張旺璽1,2，馮燕翔1,2

(1. 中原工學(xué)院 材料與化工學(xué)院，鄭州 451191；2. 金剛石技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 451191)

采用Ti3SiC2粉體和不同粒度的金剛石顆粒為原料，通過(guò)放電等離子燒結(jié)制備Ti3SiC2結(jié)合劑/金剛石復(fù)合材料，研究金剛石粒度與燒結(jié)溫度對(duì)該材料的物相組成、顯微形貌以及磨削性能的影響。結(jié)果表明，燒結(jié)過(guò)程中，Ti3SiC2分解生成Si與TiCx。當(dāng)金剛石粒度較細(xì)(W20)時(shí)，金剛石表面的C元素與TiCx充分反應(yīng)，生成厚度約為1 μm的TiC過(guò)渡層，Ti3SiC2結(jié)合劑/金剛石復(fù)合材料中存在許多孔隙，燒結(jié)溫度為1 200~1 400 ℃時(shí)，該材料的主相是TiCx，TiC和Ti3SiC2，當(dāng)溫度升高至1 500 ℃時(shí)，主相為TiC，含有少量Ti3SiC2；金剛石粒度較粗時(shí)(30/40，120/140目)，在1 200 ℃溫度下燒結(jié)的復(fù)合材料的主相均為Ti3SiC2與TiCx，1 500 ℃下燒結(jié)時(shí)，含30/40目金剛石的復(fù)合材料主相為TiC和Ti5Si3，含少量Ti3SiC2，含120/140目金剛石的復(fù)合材料主相為TiC，含少量Ti3SiC2。用粒度為120/140目的金剛石顆粒制備的Ti3SiC2結(jié)合劑/金剛石復(fù)合材料的磨削性能最好，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 400 ℃時(shí)，磨耗比達(dá)到6 857。

Ti3SiC2；金剛石；放電等離子體燒結(jié)；組織；磨削性能

陶瓷結(jié)合劑/金剛石復(fù)合材料具有強(qiáng)度高，耐熱性能好、切削鋒利、磨削效率高和不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)[1]，但由于目前陶瓷結(jié)合劑主要采用低熔點(diǎn)的氧化物，因而材料具有脆性較大和耐沖擊性差等缺點(diǎn)。三元層狀化合物Ti3SiC2是一種重要的新型陶瓷材料[2?3]，具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能，對(duì)熱沖擊不敏感，高溫下有良好的塑性行為，同時(shí)具有較好的抗氧化性能和較高的熔點(diǎn)，以及較高的斷裂韌性和良好的可加工性，在民用和軍工領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景[4]。因此, 相比傳統(tǒng)的氧化物陶瓷結(jié)合劑, Ti3SiC2作為金剛石磨具的結(jié)合劑可極大地改善陶瓷結(jié)合劑/金剛石復(fù)合材料的使用性能。近幾年許多研究者進(jìn)行了Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料的制備與性能研究。JAWORSKA 等[5?6]采用高壓燒結(jié)制備的Ti3SiC2/金剛石聚晶材料, Ti3SiC2與金剛石結(jié)合良好, 具有良好的耐磨性能。李正陽(yáng)等[7]在Ar氣氛保護(hù)下，以鈦粉、硅粉、石墨粉和金剛石粉為原料，采用無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)制備了Ti3SiC2-金剛石復(fù)合材料。本文作者[8]采用微波燒結(jié)制備Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料，研究了產(chǎn)物的物相組成與顯微形貌，發(fā)現(xiàn)采用無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)與微波燒結(jié)技術(shù)制備的金剛石含量較低的Ti3SiC2/金剛石磨具復(fù)合材料，致密性較差，降低了材料的力學(xué)性能。相比傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)，放電等離子燒結(jié)(spark plasma sintering, SPS)具有燒結(jié)速度快和保溫時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)。本文作者[9]以 Ti，Si，TiC和金剛石磨料為原料, 采用放電等離子燒結(jié)法制備的Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料，金剛石與基體結(jié)合緊密, 同時(shí)其表面生長(zhǎng)著發(fā)育良好的Ti3SiC2板條狀晶粒。該研究主要是對(duì)SPS技術(shù)制備Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料進(jìn)行了嘗試性工作，本研究在此工作的基礎(chǔ)上，采用Ti3SiC2單相粉體與金剛石粉體混合，利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料，深入研究金剛石粒度對(duì)復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)、物相組成和磨削性能的影響，為該材料應(yīng)用于磨削生產(chǎn)實(shí)踐奠定理論基礎(chǔ)和提供必要的磨削性能數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料的制備

將Ti3SiC2粉分別與不同粒度的金剛石顆粒混合，利用上海皓越電爐技術(shù)有限公司的放電等離子體燒結(jié)爐(SPS?40?5型)制備Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料。Ti3SiC2粉的純度＞98%，平均粒度為10 μm；金剛石顆粒的粒度分別為30目/40目(420/590 μm)，120目/140目(105/125 μm)和W20(20 μm)。制備過(guò)程如下：首先按照4:1的質(zhì)量比稱量Ti3SiC2粉與金剛石顆粒，放入球磨機(jī)中混料3 h，使其混合均勻。將混合粉末倒入直徑為30 mm的石墨模具，把模具放入放電等離子燒結(jié)爐中，于真空環(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)，得到直徑為30 mm的圓柱形Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料樣品。燒結(jié)溫度分別1 200，1 300，1 400和1 500 ℃，保溫15 min，燒結(jié)壓力為30 MPa。

1.2 分析與檢測(cè)

使用Rigaku Ultima Ⅳ轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀(日本 RIGAKU 公司，采用Cu Kα輻射)對(duì)Ti3SiC2結(jié)合劑/金剛石復(fù)合材料進(jìn)行物相分析。用老虎鉗掰斷試樣，得到新鮮的斷口，通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡結(jié)合能譜儀對(duì)斷口形貌與微區(qū)成分進(jìn)行觀察與分析。采用鄭州大華機(jī)電技術(shù)有限公司的DHM?2型磨耗比測(cè)定儀測(cè)試該復(fù)合材料的磨耗比。用硬度為3.1的標(biāo)準(zhǔn)綠SiC砂輪與Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料樣品對(duì)磨，砂輪的質(zhì)量損耗量和復(fù)合材料樣品的質(zhì)量損耗量的比值即為材料的磨耗比。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 物相組成與形貌

圖1所示為在不同燒結(jié)溫度和不同金剛石粒度條件下制備的Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料的XRD譜。由圖1(a)可知，采用W20金剛石粉末，當(dāng)溫度為1 200 ℃時(shí)，產(chǎn)物由Ti3SiC2，TiC，TiCx(x＜1)，Si和金剛石構(gòu)成。這表明放電等離子燒結(jié)時(shí)發(fā)生式(1)~(4)所示的反應(yīng)，即Ti3SiC2分解生成非化學(xué)計(jì)量比的TiCx和Si，然后TiCx和Si分別與金剛石表面的碳元素反應(yīng)生成TiC與SiC; 另外，TiC與Si反應(yīng)生成TiSi2。SiC和TiSi2也可通過(guò)式(5)所示的反應(yīng)形成。

從圖1(a)可見(jiàn)，隨燒結(jié)溫度升高，Ti3SiC2和金剛石的衍射峰強(qiáng)度逐漸下降，Si衍射峰逐漸增強(qiáng)。這表明Ti3SiC2分解加劇，同時(shí)更多的金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的化合物TiC和SiC。當(dāng)溫度達(dá)到1 500 ℃時(shí)，產(chǎn)物中主相為TiC，其它峰都很微弱，檢測(cè)不到鈦硅相。這表明Ti3SiC2基本分解完全，由于溫度超過(guò)了Si的熔點(diǎn)，Ti3SiC2分解形成的Si迅速?gòu)臉悠分幸莩?，?lái)不及與TiC反應(yīng)轉(zhuǎn)變成鈦硅相。對(duì)比圖1(b)與(a)明顯看出，用粒度為120/140目的金剛石制備的Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料，燒結(jié)溫度為1 200 ℃時(shí)主相為Ti3SiC2，Si和TiCx(x＜1)，顯然該體系發(fā)生式(1)所示的反應(yīng)，沒(méi)有發(fā)生其它反應(yīng)。隨溫度升高，Si的衍射峰強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，同時(shí)出現(xiàn)TiC和鈦硅相的衍射峰，TiC和鈦硅相的衍射峰顯著增強(qiáng)。當(dāng)溫度為1 500 ℃時(shí)，與含W20的復(fù)合材料一樣，主相為TiC與TiCx，含少量Si和金剛石等相。

對(duì)比圖1(c)與(b)可看出，在1 200 ℃燒結(jié)溫度下，用粒度為30/40目金剛石制備的復(fù)合材料與用粒度為120/140目的金剛石制備的復(fù)合材料一樣，主相都為Ti3SiC2，Si和TiCx。但燒結(jié)溫度為1 400~1 500 ℃時(shí)，二者的物相組成差別很大。特別是在1 500 ℃燒結(jié)時(shí)，用30/40目金剛石制備的復(fù)合材料基體主相為Ti5Si3和TiC。此外，在含最細(xì)粒度金剛石 (W20)的材料中發(fā)現(xiàn)SiC相的存在，而含較粗粒度金剛石(120/140目和30/40目)的2種材料中均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)SiC相，這一結(jié)果表明粒度細(xì)的金剛石可促進(jìn)SiC的形成。

圖2所示為采用W20細(xì)金剛石在不同溫度下燒結(jié)的Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料的斷口形貌。從圖可見(jiàn)1 200 ℃下燒結(jié)的材料有許多金剛石小顆粒，顆粒表面有一層過(guò)渡層 (見(jiàn)圖2(a))；通過(guò)能譜分析(見(jiàn)圖5)確認(rèn)基體由大量板條狀Ti3SiC2組織和顆粒狀TiC組織組成，基體中存在許多孔隙；從圖2(b)看到金剛石顆粒表面形成的過(guò)渡層厚度約1 μm。1 300 ℃下燒結(jié)的材料形貌與1 200 ℃燒結(jié)的較接近，但溫度達(dá)到1 400 ℃時(shí)金剛石顆粒被嚴(yán)重侵蝕，表面凹凸不平。

圖3所示為金剛石粒度為120/140目的復(fù)合材料斷口形貌。從圖3(a)，(c)和(e)可看到不同燒結(jié)溫度下，金剛石都很好地嵌入基體結(jié)合劑中。基體為大量板條狀Ti3SiC2晶粒，組織均較致密。從圖3(b)，(d)和(f)可看到金剛石與基體結(jié)合良好。從圖3(e)和(f)觀察到金剛石與Ti3SiC2晶粒間存在厚度約2~3 μm的過(guò)渡層。通過(guò)能譜分析確認(rèn)過(guò)渡層為TiC晶粒，平均晶粒度為150 nm。借由這個(gè)過(guò)渡層，金剛石與Ti3SiC2板條狀晶粒良好地結(jié)合。

圖2 不同溫度下燒結(jié)的金剛石粒度為W20的Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料的斷口形貌Fig.2 Fracture morphologies of the Ti3SiC2/diamond composites contained diamond with a size of W20 (a), (b) 1 200 ℃; (c), (d) 1 300 ℃; (e), (f) 1 400 ℃

圖4 所示為不同溫度下燒結(jié)的金剛石粒度為30/40目的復(fù)合材料斷口形貌。從圖4可看到金剛石都很好地鑲嵌在Ti3SiC2基體中，與基體結(jié)合很緊密；基體組織較致密；金剛石與基體結(jié)合良好，金剛石與基體間有厚度約1 μm的TiC過(guò)渡層。對(duì)比圖2、圖3和圖4，金剛石粒度不同，復(fù)合材料的顯微形貌差異明顯，特別是金剛石與基體的界面反應(yīng)程度差異較大。金剛石粒度較細(xì)小時(shí)，參與反應(yīng)的金剛石比例較大，同時(shí)與基體間存在明顯的孔隙(見(jiàn)圖2)。而當(dāng)金剛石粒度較粗大時(shí)(圖3與圖4)，參與反應(yīng)的金剛石比例較小，因而金剛石顆粒表面形成的過(guò)渡層更薄，同時(shí)復(fù)合材料基體較致密。

2.2 磨削性能

圖6所示為不同溫度下燒結(jié)的Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料的磨削性能。從圖6看到，材料的磨耗比隨燒結(jié)溫度升高而提高。在燒結(jié)溫度相同的條件下，添加W20細(xì)顆粒金剛石的材料磨耗比較低。在燒結(jié)溫度較低(1 200 ℃)時(shí)，添加30/40目金剛石的復(fù)合材料磨耗比最大。隨燒結(jié)溫度升高到1 300 ℃，添加30/40目與120/140目金剛石的材料磨耗比相近，但燒結(jié)溫度為1 400 ℃時(shí)，添加120/140目粗顆粒金剛石的磨耗比遠(yuǎn)高于添加30/40目與W20金剛石顆粒的材料。

圖4 不同溫度下燒結(jié)的金剛石粒度為30/40目的Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料斷口形貌Fig.4 Fracture morphologies of the Ti3SiC2/ diamond composites contained 30/40 mesh diamond (a), (b) 1 200 ℃; (c), (d) 1 300 ℃; (e), (f) 1 400 ℃

圖5 圖2(a)中不同形貌晶粒的能譜分析Fig.5 EDS of lathed grains (a) and particle grains (b) in Fig.2(a)

圖6 不同溫度下燒結(jié)的Ti3SiC2/金剛石復(fù)合材料的磨削性能Fig.6 Grinding ratio of composites at different temperatures

3 分析與討論

對(duì)于Ti3SiC2-金剛石體系，燒結(jié)時(shí)主要存在2個(gè)反應(yīng)過(guò)程，一個(gè)是Ti3SiC2的分解反應(yīng)，以及分解產(chǎn)物間相互反應(yīng)的復(fù)雜過(guò)程，另一個(gè)是金剛石表面的C原子與Ti3SiC2的分解產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程。這2個(gè)反應(yīng)過(guò)程相互作用，交織在一起，最終影響產(chǎn)物的組成與顯微形貌。

當(dāng)金剛石粒度較小(W20)時(shí)，一方面，由于顆粒的比表面積大，金剛石表面的C原子具有較高的化學(xué)反應(yīng)活性。并且當(dāng)金剛石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，細(xì)粒度的金剛石能提供較多的C原子參與到式(2)所示的反應(yīng)中，因而可促進(jìn)該反應(yīng)的進(jìn)行。從圖1觀察到燒結(jié)溫度為1 200~1 400 ℃時(shí)，材料具有較強(qiáng)的TiC衍射峰，TiCx峰略弱，而添加粗粒度金剛石的材料中TiCx峰較強(qiáng)，TiC峰較弱，特別是在1 200 ℃時(shí)觀察不到TiC峰。隨燒結(jié)溫度升高，金剛石衍射峰逐漸變?nèi)?，從圖2清晰地觀察到金剛石表面出現(xiàn)過(guò)渡層，金剛石表面被嚴(yán)重侵蝕。這些結(jié)果充分表明隨燒結(jié)溫度升高，TiCx逐漸與金剛石反應(yīng)。此外，粒度細(xì)的金剛石具有較高的表面活性，能促進(jìn)SiC形成。另一方面，粒度較小的金剛石表面大量C原子參與反應(yīng)，導(dǎo)致金剛石顆粒的體積減小，形成許多微小的孔隙(見(jiàn)圖2)。這些孔隙相互連接并貫通，成為Si原子擴(kuò)散和逸出的通道。當(dāng)溫度低于Si的熔點(diǎn)(約1 450 ℃)時(shí)，Si的飽和蒸汽壓較小，不易排出。當(dāng)溫度超過(guò)Si的熔點(diǎn)時(shí)，Si嚴(yán)重升華或揮發(fā)，借由金剛石體積縮小形成的孔道大量逸出。所以圖1(a)中隨燒結(jié)溫度升高，Si的衍射峰逐漸增強(qiáng)，但當(dāng)溫度達(dá)到1 500 ℃時(shí)，Si的衍射峰變得非常微弱。

當(dāng)金剛石粒度為120/140目時(shí)，其化學(xué)惰性比W20粒度金剛石強(qiáng)很多，金剛石表面參與反應(yīng)的C原子非常少，從圖3可看到金剛石表面形成的過(guò)渡層厚度只有2~3 μm。因此鈦硅碳與金剛石間的反應(yīng)對(duì)產(chǎn)物物相組成的影響遠(yuǎn)不如金剛石粒度為W20時(shí)的影響大。當(dāng)溫度較低時(shí)(1 200 ℃)，主要的反應(yīng)是鈦硅碳本身的分解反應(yīng)，生成Si與非化學(xué)計(jì)量比的碳化鈦(TiCx)。隨溫度升高，金剛石表面的反應(yīng)活性相增加，非化學(xué)計(jì)量比的TiCx與金剛石表面的C逐漸反應(yīng)形成TiC。同時(shí)Si與TiC間反應(yīng)生成鈦硅相(TiSi2與Ti5Si3Cx)與Ti3SiC2，這些都直觀地反應(yīng)在圖1(b)上。1 500 ℃高溫下Ti3SiC2基本分解完成，Si逸出，因此產(chǎn)物主要為TiC與TiCx。

當(dāng)金剛石粒度為(30/40目)時(shí)，在低于1 500 ℃溫度下燒結(jié)的復(fù)合材料的物相組成與添加120/140目粒度金剛石的材料較相近，主要的區(qū)別在于主相為TiCx，同時(shí)有較強(qiáng)的Ti5Si3Cx衍射峰。這主要是由于金剛石的粒度更大，金剛石表面參與反應(yīng)的C原子更少，對(duì)整個(gè)反應(yīng)體系的影響更微弱，從圖4(b)觀察到過(guò)渡層的厚度僅約為1 μm。因此反應(yīng)體系的情況非常接近于單相Ti3SiC2的情況。在高溫時(shí)的單相鈦硅碳化合物即為TiC與Ti5Si3Cx相。

綜合以上分析可知，Ti3SiC2與金剛石二元體系燒結(jié)，燒結(jié)體的物相組成與顯微結(jié)構(gòu)實(shí)際上是Ti3SiC2的分解產(chǎn)物與金剛石表面的C原子間復(fù)雜反應(yīng)的結(jié)果。顯然，復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)也決定其磨削性能。通過(guò)以上研究可知，當(dāng)添加細(xì)顆粒金剛石(W20)時(shí)，金剛石表面的C原子雖然參與反應(yīng)，但形成的過(guò)渡層與基體結(jié)合尚好，因此其磨削性能雖然略低于其它2種復(fù)合材料，但差距并不顯著。但當(dāng)溫度升高至1 400℃后，金剛石被嚴(yán)重侵蝕，導(dǎo)致其磨削性能嚴(yán)重劣化，遠(yuǎn)不如添加較粗粒度金剛石的試樣。而添加120/140目金剛石的材料性能最好，有2方面的原因。一方面是由于基體結(jié)合劑主要為TiC與Ti3SiC2，二者起到良好的協(xié)同增韌效果，同時(shí)也保證基體有適宜的硬度；另一方面是當(dāng)金剛石粒度較粗時(shí)，金剛石較容易脫落。當(dāng)添加相同質(zhì)量的金剛石時(shí)，較粗金剛石的顆粒數(shù)比細(xì)粒度的金剛石要少得多，一旦脫落，對(duì)整個(gè)復(fù)合材料性能的影響都較大。因此選擇適宜粒度的金剛石對(duì)于復(fù)合材料的磨削性能非常重要。

4 結(jié)論

1) 對(duì)Ti3SiC2與金剛石二元體系進(jìn)行放電等離子燒結(jié)制備Ti3SiC2結(jié)合劑金剛石復(fù)合材料， 當(dāng)金剛石粒度較細(xì)(W20)時(shí)，在1 200~1 400 ℃燒結(jié)溫度下，基體主相是TiCx，TiC和Ti3SiC2，隨溫度升高，TiCx逐漸轉(zhuǎn)變成TiC，當(dāng)溫度升高至1 500 ℃時(shí)，基體主相為TiC，含少量Ti3SiC2。用W20金剛石制備的復(fù)合材料存在許多氣孔，Ti3SiC2的粒度也較小。

2) 當(dāng)金剛石粒度較粗(30/40，120/140目)時(shí)，燒結(jié)溫度為1 200 ℃，結(jié)合劑的主相為Ti3SiC2與TiCx。燒結(jié)溫度為1 500 ℃時(shí)，含30/40目金剛石的復(fù)合材料的結(jié)合劑主相為TiC和Ti5Si3，含少量Ti3SiC2；含120/140目金剛石的復(fù)合材料結(jié)合劑主相為TiC，含少量Ti3SiC2。燒結(jié)溫度為1 200~1 400 ℃時(shí)，含較粗金剛石的復(fù)合材料較致密，存在大量板條狀Ti3SiC2晶粒以及少量顆粒狀TiC。金剛石與Ti3SiC2晶粒間存在很薄的TiC過(guò)渡層，金剛石顆粒與基體結(jié)合良好。

3) 隨燒結(jié)溫度升高，材料的磨削性能提高。用粒度為120/140目的金剛石顆粒制備的Ti3SiC2結(jié)合劑/金剛石復(fù)合材料磨削性能最好，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 400 ℃時(shí)其磨耗比達(dá)到6 857。

REFERENCES

[1] YASUYUKI K, YOSHIHITO K, SHOJIRO O. Development of vitrified diamond grinding wheel for engineering ceramics[J]. Japan Grain Institute, 1993(9): 87?89

[2] LUO Y M, PAN W, LI S Q, et al. Synthesis and mechanical properties of in-situ hot-pressed Ti3SiC2polycrystals[J]. Ceramics International, 2002, 28(2): 227?230.

[3] BARSOUM M W, EI-RAGHY T. Synthesis and characterization of a remarkable ceramic: Ti3SiC2[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1996, 79 (7): l953?1956.

[4] BARSOUM M W. The MN+1AXNphases: a new class of solids; thermodynamically stable nanolaminates[J]. Progress in Solid State Chemistry, 2000, 28(1/4): 201?81.

[5] JAWORSKA L, STOBIERSKI L, TWARDOWSKA A, et al. Ti3SiC2as a bond-ing phase in diamond composites[J]. Journal of Materials Science Letters, 2001, 20(19): 1783?1786.

[6] JAWORSKA L, STOBIERSKI L, TWARDOWSKA A, et al. Preparation of materials based on Ti-Si-C system using high temperature–high pressure method[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 162/163(20): 184?189.

[7] 李正陽(yáng), 周愛(ài)國(guó), 李良, 等. 無(wú)壓燒結(jié)制備Ti3SiC2-金剛石復(fù)合材料的反應(yīng)機(jī)理與微觀結(jié)構(gòu)[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2013, 36(6): 29?31.

LI Zhengyang, ZHOU Aiguo, LI Lang, et al. Reaction mechanisms and microstructure of Ti3SiC2-diamond composites synthesized by pressureless sintering[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2013, 36(6): 29?31.

[8] 梁寶巖, 張旺璽, 王艷芝, 等. 微波燒結(jié)制備MAX相?金剛石復(fù)合材料[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2016, 36(1): 25?30.

LIANG Baoyan, ZHANG Wangxi, WANG Yanzhi, et al. MAX phase-diamond composites fabricated by microwave sintering[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2016, 36(1): 25?30.

[9] MUA Yunchao, GUO Jifeng, LIANG Baoyan, et al. Rapid fabrication of bonded diamond composite using the spark plasma sintering reaction synthesis method[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2010, 29(3): 397?400.

(編輯 湯金芝)

Microstructure and grinding property of Ti3SiC2/diamond composites fabricated by spark plasma sintering

LIANG Baoyan1,2, ZHANG Wangxi1,2, FENG Yanxiang1,2
(1. School of Materials and Chemical Engineering, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191, China; 2. National and Local Joint Laboratory of Engineering of Diamond Technology, Zhengzhou 451191, China)

Ti3SiC2ceramic boned diamond composites were fabricated by spark plasma sintering using Ti3SiC2and diamond powders as raw materials. The effects of the content and particle size of diamond on phase composition, microstructure and grinding property of the composites were studied. The results show that the particle size of diamond has an obviously effect on the composition and microstructure of the composites. Ti3SiC2may be decomposed to Si and TiCx(x＜1) during sintering. When diamond size is finer (W20), C and TiCxon the diamond surface react to form TiC transition layer with a thickness of 1μm. There are many pores in the composites. When the particle size of the sintering temperature is 1 200?1 400 ℃, the main phases of the matrix are TiCx, TiC and Ti3SiC2. The main phases of the matrix are TiCx, TiC and Ti3SiC2at 1 500 ℃. The main phases of the composite matrix contained coarse diamond (30/40, 120/140 mesh) are TiCxand Ti3SiC2at 1 200 ℃. The main phases of the composite matrix contained 30/40 mesh diamond are Ti5Si3, TiC and a little Ti3SiC2at 1 500 ℃. The main phases of composite matrix contained 120/140 mesh diamond are TiC and a little Ti3SiC2at 1 500 ℃. The composite contained 120/140 mesh diamond has optimal grinding property. When the sintering temperature reaches 1 400 ℃, the grinding ratio is 6 857.

Ti3SiC2; diamond; spark plasma sintering; microstructure; grinding property

TG146.642

A

1673-0224(2017)03-399-08

鄭州市國(guó)際科技合作與交流項(xiàng)目(153PGJHZ209)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(17A430034)；河南省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(15IRTS THN004)；河南省省院科技合作項(xiàng)目(142106000193)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14A430007)；河南省科技開(kāi)放合作項(xiàng)目(142106000051)；鄭州市人才引育項(xiàng)目(141PRCYY514)

2016?05?10；

2016?07?29

張旺璽，教授，博士。電話：0371-62506689；E-mail: zwxlby@126.com