Ti(C,N)基金屬陶瓷腐蝕與磨損行為的研究進(jìn)展

秦 運，王宗元，王 杰，彭卓豪，季思源，萬維財

(西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039)

0 前 言

隨著工業(yè)的發(fā)展，諸多服役條件要求工程材料在強(qiáng)腐蝕環(huán)境中保持穩(wěn)定性和高力學(xué)性能[1]。Ti(C,N)基金屬陶瓷是一種由陶瓷相和金屬相組成的新型硬金屬材料，其陶瓷相具有較高的硬度和優(yōu)異的耐磨性，金屬相則為材料提供了良好的韌性。在金屬陶瓷成分設(shè)計過程中，通常加入一系列碳化物(Mo2C、WC、TaC、VC等)添加劑，通過構(gòu)建芯-環(huán)結(jié)構(gòu)來調(diào)控微觀組織結(jié)構(gòu)以及改善陶瓷相與金屬相之間的潤濕性。Ti(C,N)基金屬陶瓷因為其高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨性等特點，已被廣泛應(yīng)用于切削刀具和耐磨結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域。相對于傳統(tǒng)的WC-Co硬質(zhì)合金來說，Ti(C,N)基金屬陶瓷在耐高溫、耐腐蝕結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域具有很大的競爭力[2，3]。但是在石油化工、礦山、化纖、冶金等應(yīng)用環(huán)境更為惡劣的工況中，Ti(C,N)基金屬陶瓷材料依然面臨著腐蝕、磨損以及腐蝕磨損交互作用而導(dǎo)致零部件失效、損壞等問題[2],因此，增強(qiáng)Ti(C,N)基金屬陶瓷的耐磨性和耐蝕性對其在工業(yè)上的應(yīng)用來說非常重要。

1 Ti(C,N)基金屬陶瓷的腐蝕行為

金屬陶瓷復(fù)合材料的腐蝕主要是金屬相與其所處的環(huán)境之間發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致材料發(fā)生劣化并被破壞。電化學(xué)腐蝕是金屬陶瓷材料的主要腐蝕機(jī)理，在腐蝕過程中，金屬粘結(jié)相最先被腐蝕，然后從材料表面脫落；失去粘結(jié)相后，晶粒暴露在表面，導(dǎo)致材料被進(jìn)一步腐蝕[3]。另外，由于硬質(zhì)相與粘結(jié)相之間存在電位差，容易發(fā)生原電池反應(yīng)，腐蝕速度也會進(jìn)一步加快，影響材料的使用壽命。通常情況下，Ti(C,N)基金屬陶瓷的耐蝕性主要由金屬粘結(jié)相所決定，粘結(jié)相(如Ni、Co)往往優(yōu)先被溶解和腐蝕。因此，粘結(jié)相的成分與含量對金屬陶瓷材料的耐腐蝕性有重要影響。此外，由于陶瓷相和金屬相之間的潤濕性不佳，通常引入第二相碳化物(如Mo2C,WC,ZrC,Cr3C2等)，在燒結(jié)過程中通過溶解-析出機(jī)制形成芯-環(huán)結(jié)構(gòu)，來改善金屬陶瓷的性能。本節(jié)主要從粘結(jié)相成分以及碳化物添加劑2個方面對Ti(C,N)基金屬陶瓷的腐蝕行為的影響進(jìn)行了綜述。

1.1 粘結(jié)相成分對Ti(C,N)基金屬陶瓷腐蝕行為的影響

金屬粘結(jié)相是Ti(C,N)基金屬陶瓷在腐蝕環(huán)境中的薄弱相，因此，提高粘結(jié)相的腐蝕性能是改善金屬陶瓷材料耐腐蝕性的關(guān)鍵。一般認(rèn)為，金屬陶瓷中粘結(jié)相含量越低，金屬陶瓷的耐腐蝕性越高。但是，降低粘結(jié)相含量將導(dǎo)致金屬陶瓷材料的力學(xué)性能(尤其是斷裂韌性和沖擊強(qiáng)度)的急劇降低，因而通過降低粘結(jié)相含量而提高Ti(C,N)基金屬陶瓷的耐腐蝕性是不可行的。

劉毅等[4]研究了粘結(jié)相中Co和Ni的比例對Ti(C,N)基金屬陶瓷的腐蝕性能的影響，Ti(C,N)基金屬陶瓷在H2SO4溶液中浸泡腐蝕120 h后的SEM形貌和質(zhì)量損失量如圖1所示。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)粘結(jié)相中的Co用Ni全部或部分替代時，可以顯著改善金屬陶瓷在硫酸溶液中的耐腐蝕性。Co和Ni的質(zhì)量比為1的材料(T3)具有良好的耐腐蝕性，這是由于Ni的腐蝕電位高于Co，鈍化作用顯著。Chen等[5]研究了Cr部分取代Ni對H2SO4溶液中Ti(C,N)基金屬陶瓷的顯微組織和耐腐蝕性的影響，結(jié)果表明，用Cr部分取代Ni對金屬陶瓷的微觀組織的影響不大，隨著粘結(jié)劑中Cr含量的增加，Cr在Ni粘結(jié)劑中的溶解度變大，Ti基和Cr基鈍化層產(chǎn)生協(xié)同作用，生成致密的鈍化層，阻礙了H2SO4溶液繼續(xù)腐蝕金屬陶瓷內(nèi)部，增強(qiáng)了金屬陶瓷在H2SO4溶液中的耐蝕性。當(dāng)Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4%時，腐蝕速率最小。

Xu等[6]研究了Cu的添加量對Ti(C,N)基金屬陶瓷腐蝕行為的影響。研究表明，Cu的加入改善了粘結(jié)相的性能，Cu部分溶解進(jìn)入粘結(jié)相中形成固溶體，從而提高了粘結(jié)相的耐蝕性，改善金屬陶瓷在硫酸溶液中的腐蝕行為。此外，Cu還能降低Ti(C,N)基金屬陶瓷的腐蝕電流密度，從而增強(qiáng)金屬陶瓷的耐蝕性。但添加過量Cu會導(dǎo)致粘結(jié)相與硬質(zhì)相之間的潤濕性變差，導(dǎo)致孔隙增多，孔隙的存在使金屬陶瓷內(nèi)部在鹽酸溶液中受到電偶腐蝕，導(dǎo)致金屬陶瓷的耐蝕性降低。Xu等[7]研究了Ni含量對Ti(C,N)-WC-Mo2C-(Ni,Co)金屬陶瓷腐蝕行為的影響，結(jié)果表明，添加適當(dāng)含量的Ni可提高Ti(C,N)基金屬陶瓷在HCl和NaOH腐蝕溶液中的耐蝕性，這主要是因為Ni的加入可以改善Ti(C,N)基金屬陶瓷的鈍化行為,隨著Ni含量的增加，鈍化電流顯著降低，鈍化范圍擴(kuò)大，從而提高了材料的耐腐蝕性。Ti(C,N)基金屬陶瓷的腐蝕行為主要取決于粘結(jié)相的選擇性溶解和腐蝕表面氧化物的形成，粘結(jié)相氧化后形成的致密的鈍化膜(主要是TiOx和粘結(jié)相金屬氧化物)也是提高Ti(C,N)基金屬陶瓷在NaOH溶液中的耐蝕性的原因之一。

Xu等[8]研究了AlN對Ti(C,N)基金屬陶瓷耐蝕性的影響，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)相中Al元素的出現(xiàn)可以增強(qiáng)金屬陶瓷的耐蝕性。在燒結(jié)過程中，Al元素擴(kuò)散到粘結(jié)相，抑制了晶粒的生長并強(qiáng)化了粘結(jié)相，此外，金屬陶瓷中Al元素的存在還可以抑制NaOH溶液中粘結(jié)相的腐蝕過程，從而提高了材料的耐腐蝕性。陳珊等[9]研究了Mo含量的變化對Ti(C,N)-Ni金屬陶瓷的影響，認(rèn)為粘結(jié)相中Mo元素的加入可以顯著提升Ti(C,N)基金屬陶瓷的耐腐蝕性能，不同Mo含量的Ti(C,N)基金屬陶瓷腐蝕20 d后的SEM形貌如圖2所示。一方面，Mo含量的不斷增加能夠改善硬質(zhì)相和粘結(jié)相之間的潤濕性，提高金屬陶瓷的致密性，從而阻礙了腐蝕介質(zhì)的滲入；另一方面，粘結(jié)劑中Mo的固溶作用也提高了粘結(jié)劑的耐腐蝕性能，進(jìn)而提高了材料的耐腐蝕性。

綜上，可以看出，在Ti(C,N)基金屬陶瓷中采用耐腐蝕性更好的金屬(如Ni)部分或全部取代Co作為粘結(jié)相，可以顯著提高金屬陶瓷材料的耐腐蝕性。另一方面，通過合金元素固溶強(qiáng)化粘結(jié)相也可以適當(dāng)提高金屬粘結(jié)相的電極電位，從而提高金屬陶瓷材料的耐腐蝕性。

1.2 碳化物添加劑對Ti(C,N)基金屬陶瓷腐蝕行為的影響

Ti(C,N)基金屬陶瓷中的陶瓷相與粘結(jié)相的潤濕性較差，因此常在材料中加入WC、Mo2C、ZrC等碳化物作為添加劑，在燒結(jié)過程中通過溶解-析出機(jī)理形成芯-環(huán)結(jié)構(gòu)以改善硬質(zhì)相和粘結(jié)相之間的潤濕性，從而達(dá)到提高Ti(C,N)基金屬陶瓷性能的目的[10,11]。

Yi等[12]研究了WC添加量對Ti(C,N)基金屬陶瓷在硝酸溶液中的腐蝕行為的影響，認(rèn)為WC的加入會降低金屬陶瓷在硝酸溶液中的腐蝕性能，Ti(C，N)基金屬陶瓷在硝酸溶液中的腐蝕速率與時間的關(guān)系如圖3所示。這是因為WC具有比Ti(C,N)具有更低的腐蝕電位，并且腐蝕產(chǎn)物不致密，隨著WC含量的增加，含W量更高的內(nèi)環(huán)相和外環(huán)相都受到嚴(yán)重腐蝕，從而導(dǎo)致腐蝕速率升高。Dong等[13]認(rèn)為在Ti(C,N)基金屬陶瓷中添加Mo2C會降低材料在NaOH溶液中的耐腐蝕性能，不同 Mo2C 含量 Ti(C,N)基金屬陶瓷的腐蝕速率與時間的關(guān)系如圖4所示。這是因為在NaOH溶液中，Ni粘結(jié)相和富Mo的白色內(nèi)環(huán)相會發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，未溶解的Ti(C,N)陶瓷顆粒(芯相)具有良好的耐蝕性，但Mo2C含量的增加導(dǎo)致內(nèi)環(huán)相的厚度增加，從而降低了Ti(C,N)基金屬陶瓷的耐蝕性。李傲奇等[14]采用粉末冶金方法在Ti(C,N)基金屬陶瓷中添加不同比例的WC與Mo2C，探究其對金屬陶瓷材料耐腐蝕性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)WC∶Mo2C的質(zhì)量比為2∶1時，材料在硫酸溶液中有較好的耐蝕性，材料表面形成了鈍化膜(Ti,W,Mo等元素的氧化物),能夠改善材料的耐腐蝕性能；但僅在金屬陶瓷中添加Mo2C時，金屬陶瓷的自腐蝕電流密度較大，其耐腐蝕性能較差。

黃建華等[15]在Ti(C,N)-WC-NbC-Co-Ni金屬陶瓷中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZrC，在硫酸中進(jìn)行腐蝕電化學(xué)實驗，結(jié)果表明，ZrC的添加將會與NbC產(chǎn)生協(xié)同作用，在抑制脆性固溶體環(huán)形相厚度的同時，能夠促使Nb元素通過固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化對粘結(jié)相進(jìn)行增強(qiáng)，從而提高材料的耐腐蝕性能；但添加過量的ZrC會使材料的顯微組織發(fā)生突變，黑色Ti (C,N)顆粒幾乎消失，顯微組織主要由粘結(jié)相及白芯灰殼結(jié)構(gòu)組成，導(dǎo)致材料的耐腐蝕性能大幅度下降。

Wan等[16]研究了添加不同量的Cr3C2對Ti (C,N)基金屬陶瓷的腐蝕行為的影響，結(jié)果表明，在HNO3溶液這種氧化性環(huán)境中，Cr3C2的加入對金屬陶瓷腐蝕行為的影響較為復(fù)雜。研究認(rèn)為Cr3C2的添加使Cr優(yōu)先分布于粘結(jié)相中，可顯著提高粘結(jié)相的腐蝕性，而另一方面，Cr3C2的添加抑制了Mo等合金元素在粘結(jié)相中的固溶，使環(huán)形相中Mo含量和環(huán)形相厚度增加，從而使環(huán)形相的耐腐蝕性能降低。

綜上可以看出，添加碳化物對Ti(C,N)基金屬陶瓷的耐腐蝕性能有明顯的影響。碳化物主要是通過影響燒結(jié)過程中各元素的溶解-析出行為，進(jìn)而改變了金屬粘結(jié)相和環(huán)形相的成分與結(jié)構(gòu)，從而影響金屬陶瓷的腐蝕行為。大多數(shù)碳化物的加入，由于其固溶作用會提高了金屬粘結(jié)相的電極電位，從而提高了其鈍化作用。但是，加入碳化物的同時也會促進(jìn)碳化物本身以固溶體的形式析出，導(dǎo)致環(huán)形相體積增加，從而惡化了金屬陶瓷(主要是環(huán)形相)的耐腐蝕性。

2 Ti(C,N)基金屬陶瓷的磨損行為

磨損是指在物體表面的相對運動過程中，由于機(jī)械作用和化學(xué)過程而導(dǎo)致材料從表面去除[17]。磨損過程分為3個階段：跑合階段、穩(wěn)定磨損階段和急劇磨損階段。跑合階段出現(xiàn)在摩擦副的初始運動階段，磨損速度先快后慢；穩(wěn)定磨損階段中，材料接觸面增大，磨損率不變；急劇磨損階段中，磨損速度急劇增加，造成機(jī)械效率下降，導(dǎo)致零件完全失效。根據(jù)磨損機(jī)理可將磨損分為黏著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、接觸疲勞磨損、沖蝕磨損、摩擦磨損和沖擊磨損。其中前4種具有不同的磨損機(jī)理，后3種機(jī)理與前4種相似，是前4種的組合。材料的磨損往往由多個磨損機(jī)理引起，其中一種機(jī)理占主導(dǎo)，當(dāng)工作條件發(fā)生變化時，磨損可能會由一種磨損轉(zhuǎn)變成另一種磨損，一種磨損機(jī)理會引起不同的損傷模式,一種損傷模式可由不同的磨損機(jī)理引起。以下依據(jù)不同的磨損主要形式分類討論Ti(C,N)基金屬陶瓷的磨損行為。

2.1 微動磨損

微動磨損指微小振動引起摩擦使材料從2個接觸面上脫落[18]。在微動磨損過程中，首先假設(shè)區(qū)域磨損機(jī)制為磨粒磨損，然后由于摩擦熱的作用，形成了含Ti和Fe的氧化物的摩擦體，然而在過渡金屬最少的情況下，隨著工作溫度的升高，金屬陶瓷之間存在相互轉(zhuǎn)移，并伴有脆性斷裂[19]。

某些情況下，含有各種碳化物的Ti(C,N)基金屬陶瓷，其形成的氧化物對摩擦化學(xué)層的穩(wěn)定性有很大的影響[20]，與不含碳化物的TiCN-20Ni金屬陶瓷復(fù)合材料相比，WC的加入會使Ti(C,N)基陶瓷的耐磨性下降，TiCN-20Ni-xNbC(x:0-25%)金屬陶瓷與SAE 52100軸承鋼在相同微動條件下不同載荷下的比磨損率如圖5所示[21]。

WC的加入會惡化Ti(C,N)基金屬陶瓷的耐磨性,這是由于形成的鎢氧化物的揮發(fā)和擴(kuò)散會導(dǎo)致金屬陶瓷磨損增加嚴(yán)重。TiCN-Ni金屬陶瓷的磨損機(jī)制主要是微裂紋引起的剝落和磨料磨損，而隨著WC添加量的增加，變成了黏著磨損和磨料磨損，導(dǎo)致磨損加重。Manoj Kumar等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在TiCN-20Ni金屬陶瓷中添加5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NbC可獲得最低的穩(wěn)態(tài)性能，TiCN-20Ni-xNbC[x:0～25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))]金屬陶瓷與SAE 52100軸承鋼在相同微動條件下不同載荷下的比磨損率如圖6所示；添加NbC后，磨損機(jī)制由磨損和剝落轉(zhuǎn)變?yōu)槟p和摩擦氧化。大量NbC的加入可能導(dǎo)致進(jìn)一步的摩擦氧化和碎片化，因此金屬陶瓷的磨損將會變得更加嚴(yán)重。

2.2 滑動磨損

為了增強(qiáng)Ti(C,N)基金屬陶瓷的耐磨性并延長其使用時間，研究Ti(C,N)基金屬陶瓷的滑動磨損特性十分重要。材料的滑動磨損取決于粘結(jié)劑含量及其強(qiáng)化程度[23]。在磨損過程中，最初出現(xiàn)兩體磨粒磨損，通過金屬陶瓷和端面材料產(chǎn)生碎屑，過渡到三體磨損。最終，這些磨損碎屑被并入磨損軌跡內(nèi)的薄摩擦層中，進(jìn)一步過渡到黏著磨損[24]。

Stewart等[25]在研究WC添加量對Ti(C,N)基金屬陶瓷耐磨性能的影響時，發(fā)現(xiàn)添加適當(dāng)?shù)腤C可以促進(jìn)芯-環(huán)結(jié)構(gòu)的形成，提高陶瓷相和粘結(jié)相的潤濕性，對于提高力學(xué)性能有著重要的作用。WC可以通過晶粒強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化來提高金屬陶瓷的硬度、斷裂韌性和耐磨性。而WC的添加量過高時則會在金屬陶瓷中形成白色芯相，從而降低材料的耐磨性和其硬度。Zhao等[26]研究了Ti(C,N)-Ni-Mo金屬陶瓷在高溫下的摩擦行為，結(jié)果顯示在較低的溫度下，在金屬陶瓷中添加氧化鋁可提高材料的耐磨損性能。Ti(C,N)基金屬陶瓷滑動磨損的主要機(jī)制是材料表面輕微的摩擦氧化破壞，相比TiCN-Ni-Mo金屬陶瓷，TiCN-Al2O3-Ni-Mo金屬陶瓷的表面相對光滑，這是由于添加的氧化鋁導(dǎo)致了金屬陶瓷的硬化。Manoj kumar等[27]研究了TiCN-20Ni-xWC[x=5%～25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))]金屬陶瓷在不同載荷下的滑動磨損和摩擦性能，發(fā)現(xiàn)摩擦層的穩(wěn)定性是影響摩擦行為的主要因素，在給定的載荷下，Ti(C,N)-Ni金屬陶瓷的質(zhì)量損失隨著WC添加量的增加而增加，這主要是顆粒脫落造成的，在較低的載荷下，其主要的磨損機(jī)制是磨損和摩擦氧化。不同WC含量的金屬陶瓷在不同載荷下與商用AISI 52100級鋼滑動時的磨損體積和磨損率如圖7所示。

2.3 沖蝕磨損

沖蝕磨損是一種細(xì)小、松散、流動的顆粒對材料造成損傷的磨損現(xiàn)象，該磨損現(xiàn)象較為常見。材料沖蝕磨損的定義是在固體的表面和含有固體顆粒的流體之間發(fā)生的相對的運動過程中，表面結(jié)構(gòu)材料的損失。沖擊區(qū)產(chǎn)生的塑性變形和脆性變形以及形成的橫向裂縫會導(dǎo)致材料的切屑隨后被侵蝕顆粒去除[28]。Ti(C,N)基金屬陶瓷的沖蝕性能由陶瓷相和粘結(jié)相共同決定[29]。對金屬陶瓷粘結(jié)相的破壞主要來自于固體顆粒的微切削作用和由于沖擊作用產(chǎn)生的塑性變形，這2種作用將導(dǎo)致粘結(jié)相擠出并撕裂，而對陶瓷相的破壞主要是在固體顆粒持續(xù)的沖擊作用下，其薄弱的環(huán)形相中產(chǎn)生微裂紋并擴(kuò)展成穿晶裂紋，導(dǎo)致晶粒破碎，進(jìn)而發(fā)生碎片流失所致。因此，金屬陶瓷軸套材料的沖刷磨損過程存在典型的韌性材料破壞機(jī)理和脆性材料破壞機(jī)理。Ti(C,N)基金屬陶瓷的抗沖蝕性能隨NbC、TaC、WC和Mo2C等碳化物的加入而有所改善，這是由于碳化物在調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)和改善材料力學(xué)性能方面有重要作用。金屬粘結(jié)劑中二次碳化物的固溶強(qiáng)化作用對提高粘結(jié)相的抗沖蝕性能起著至關(guān)重要的作用[29]。金屬元素可以進(jìn)入粘結(jié)相形成固溶體，通過抑制溶解和沉淀過程阻礙硬質(zhì)相的晶粒長大，實現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化，提高材料的力學(xué)性能，從而使材料具有優(yōu)異的耐磨性能。

3 磨損腐蝕的協(xié)同作用

磨損腐蝕是指腐蝕介質(zhì)與金屬表面發(fā)生相對運動從而導(dǎo)致金屬的加速破壞或腐蝕，簡稱磨蝕[30]。磨損腐蝕是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，大多數(shù)金屬、合金在氣體、水溶液、有機(jī)管理體系、液態(tài)金屬材料和一些含有大量固體顆粒和氣泡的液體等移動的介質(zhì)中，在機(jī)械力和電化學(xué)的共同作用下，都會發(fā)生嚴(yán)重的磨損和腐蝕。磨蝕的腐蝕形態(tài)通常是金屬或者合金表面光滑，呈現(xiàn)一定方向的溝槽、谷紋和圓孔，一般按流體流動方向切入金屬表層[31]。

為了表征材料在不同腐蝕和磨損條件下的耐蝕特性，可采用電位極化曲線來揭示材料在不同腐蝕和磨損條件下的電化學(xué)特性。通過研究材料的腐蝕電位、點蝕電位和鈍化電流，可比較材料的耐蝕性能[32]。電化學(xué)阻抗譜法也是研究金屬鈍化行為的一種非干擾方法。該方法可用于研究金屬表面形成的鈍化膜，以及金屬表面/溶液界面在腐蝕起始時的電阻、腐蝕過程中電阻的變化，從而推斷其耐蝕性能的差異[33]。

Wang等[34]研究了碳化物對Ti(C,N)基金屬陶瓷的磨損腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)在添加了4種不同碳化物(NbC、TaC、WC和Mo2C)的Ti(C,N)基金屬陶瓷中，含Mo2C的金屬陶瓷具有最優(yōu)的磨損腐蝕性能，廖舟等[35]發(fā)現(xiàn)適量的Mo2C能提高金屬陶瓷的抗沖刷腐蝕性能。少量 Mo2C的加入使金屬陶瓷形成典型的芯-環(huán)結(jié)構(gòu)，對材料的芯部起到保護(hù)作用，使其抗沖刷腐蝕性能得到提高；當(dāng)Mo2C添加過多時，環(huán)形相的厚度和晶粒大小的不均勻性增加，導(dǎo)致材料脆性增大，較小的晶粒很易受到?jīng)_擊而脫落，使金屬陶瓷的耐蝕性下降。Liang等[36]研究了TiN含量對Ti(C,N)基金屬陶瓷沖蝕腐蝕行為的影響，結(jié)果表明，隨著TiN的加入，Ti(C,N)基金屬陶瓷的抗沖刷-腐蝕性能提高。隨著TiN的加入，晶粒被細(xì)化，環(huán)形相的厚度明顯減少，而過多的TiN會導(dǎo)致晶粒生長不均勻和孔隙率變大；添加7.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的TiN時，材料性能達(dá)到最佳。Wan等[37]探究了添加Cr3C2對Ti(C,N)基金屬陶瓷在磨損腐蝕協(xié)同作用下的影響，發(fā)現(xiàn)添加Cr3C2能夠在一定程度上提高Ti(C,N)基金屬陶瓷的耐蝕性和耐磨性，含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cr3C2的Ti(C,N)基金屬陶瓷在2 h沖蝕-腐蝕過程中表面的局部形貌如圖8所示。Cr在Ni中的溶解強(qiáng)化了粘結(jié)相，使晶粒細(xì)化，晶粒細(xì)化有助于抑制裂紋的形成和擴(kuò)展，改善金屬陶瓷的力學(xué)性能，提高Ti(C,N)基金屬陶瓷的抗沖蝕腐蝕性能。

在實際工況下，材料的破壞和失效往往是磨損與腐蝕的協(xié)同作用，故研究材料的抗磨損與腐蝕綜合性能十分重要。目前關(guān)于Ti(C,N)基金屬陶瓷磨損腐蝕行為的研究主要集中在探究添加碳化物對金屬陶瓷磨損腐蝕性能的影響，通常認(rèn)為碳化物的添加可以改善金屬陶瓷的潤濕性，并抑制陶瓷晶粒的異常長大，從而提高金屬陶瓷的綜合力學(xué)性能，達(dá)到提高材料的磨損腐蝕性能的目的。

4 總結(jié)與展望

Ti(C,N)基金屬陶瓷被腐蝕的同時往往伴有磨損行為的發(fā)生，腐蝕和磨損作為工業(yè)生產(chǎn)中材料最常見的失效模式，其造成的直接經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此，不斷開發(fā)具有良好的耐蝕性和耐磨性的材料，并減少因腐蝕和磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失對于材料在工業(yè)中的發(fā)展十分重要。所以，對材料的腐蝕和磨損行為還需要進(jìn)一步的研究。

在未來關(guān)于金屬陶瓷材料的腐蝕與磨損行為的研究工作中，建議可以從以下幾個方面進(jìn)行深入研究：一是要深入研究材料腐蝕與磨損的交互作用機(jī)理，完善各影響因素與材料磨損腐蝕失效行為的定量研究，建立腐蝕與磨損行為理論預(yù)測模型；二是將計算機(jī)模擬與虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于金屬陶瓷材料的磨損腐蝕行為分析，以解決腐蝕與磨損過程難以原位表征的難題；三是完善磨損腐蝕行為的測試與表征手段，開發(fā)使用應(yīng)用范圍廣、性能穩(wěn)定可靠、精度更高的磨損腐蝕綜合實驗平臺；四是充分利用表面工程技術(shù)，如表面強(qiáng)化技術(shù)、表面改性技術(shù)、表面涂覆技術(shù)等，將表面防護(hù)技術(shù)與金屬陶瓷基體相結(jié)合，提高金屬材料的耐蝕性和耐磨性。