关键词：
碳氮化钛陶瓷
固相烧结
液相烧结
瞬时液相烧结
显微结构
主烧结曲线
蒙特卡罗方法
摘要：
TiCN基陶瓷材料由于具有较高的红硬性、耐磨性和抗氧化性等优良性能,被广泛应用于制作高速切削刀具材料等,然而,难烧结、韧性差成为限制它应用的瓶颈。在国内外研究中,大部分都是以Ti(C,N)基金属陶瓷为研究对象,对TiCN基陶瓷材料的研究却很少,并且金属陶瓷中由于存在Ni、Co等金属致使其强度、耐磨性和抗氧化性等大打折扣。为了满足市场对硬质陶瓷材料和耐磨材料日益增加的需求,对TiCN基陶瓷材料的研发迫在眉捷。基于以降低烧结温度和提高致密度为目的,本文分别以TiCN基陶瓷材料和TiCN基金属陶瓷为研究对象,运用固相烧结、液相烧结和瞬时液相烧结等方法,研究它们在烧结过程中的显微结构演化规律等,通过掌握其显微组织结构演化相关理论,以便指导研发性能优良的TiCN基陶瓷材料。首先,本文选择以钇铝石榴石(Y3Al5O12,简称YAG)为添加剂,利用热压烧结工艺制备TiCN基复合陶瓷,利用场发射扫描显微镜、XRD分析、晶粒大小和致密度测试,研究TiCN基陶瓷材料的固相烧结过程中显微结构演化。研究结果表明,YAG不与TiCN发生反应,能与TiCN晶粒很好的结合,可以抑制TiCN基陶瓷晶粒长大,显著降低TiCN基陶瓷烧结温度,促进陶瓷烧结的致密化,是很好的烧结助剂。通过对TiCN基陶瓷材料的固相烧结机理的研究还发现,TiCN基陶瓷材料的固相烧结过程中晶粒生长取决于晶界的迁移、孔洞与晶界之间的反应,晶粒生长过程主要是表面扩散与晶界扩散机制起主导作用的;这样的烧结机制导致YAG-TiCN复合陶瓷基体晶粒生长过程中形成晶粒内结构和晶粒间结构的亚微米级颗粒和气孔;当添加3 wt%的YAG,YAG-TiCN复合陶瓷在较低的温度1450℃时就可达到完全致密,相对密度为99.81%。其次,本文选择添加熔点低的五氧化二铌(分子式为:Nb2O5)材料为烧结助剂,利用热压烧结工艺制备Nb2O5-TiCN复相陶瓷,采用与固相烧结过程测试方法相同的技术手段,研究TiCN基陶瓷材料在液相烧结过程中的显微结构演化。研究结果表明,Nb2O5是TiCN复合陶瓷材料的有效烧结助剂,既可降低TiCN陶瓷材料烧结温度又可抑制其晶粒长大,促进TiCN陶瓷材料的致密化。它的致密化过程分两个阶段进行,第一是固相烧结阶段,固溶在促进TiCN陶瓷材料致密化过程中起主要作用;第二是液相烧结阶段,液相出现后,加速TiCN陶瓷材料颗粒重排,溶解—沉淀—析出致密化机理起主要作用。即使添加1 wt%的Nb2O5已初显Nb2O5对于TiCN复相陶瓷的致密化和晶粒细化具有促进作用。当添加量为2 wt%的Nb205,在热压烧结工艺下,烧结温度为1450℃时就可获得99.6%的相对密度。另外,本文还选择LiYO2作为烧结助剂,研究TiCN基陶瓷材料的瞬时液相烧结过程的显微结构演化过程。研究结果表明,LiYO2也是一种很好的烧结助剂;其中,液相的量和烧结温度是决定TiCN陶瓷材料的瞬时液相烧结是否致密的主要因素。当LiYO2含量达到6 wt%,烧结温度为1400℃时,TiCN基复合陶瓷才能够致密化。最后,以Ti(C,N)基金属陶瓷为研究对象,主要从三个方面对其烧结过程中的显微结构展开研究。(1)用真空烧结方法,对60%Ti(C0.5,N0.5)-15%Co-12%Mo-12%WC-1%C 的金属陶瓷进行研究。结果表明:Ti(C,N)基金属陶瓷压坯的烧结收缩行为表现为:在1000℃—1100℃之间,压坯先膨胀;然后又开始收缩,1300℃时出现急剧收缩。固相烧结阶段形成内环相,液相烧结阶段形成外环相;根据显微结构的演化规律画出其主要演化示意图。(2)应用高温热膨胀仪研究Ti(C,N)基金属陶瓷的主烧结曲线,通过建立其主烧结曲线的方法来研究金属陶瓷的致密化过程。结果发现:Ti(C,N)基金属陶瓷的表观激活能是485 KJ/mol;可以运用主烧结曲线ρ～Θ的关系,准确预测陶瓷烧结致密化的整个过程,预测产品的相对密度和最终收缩量。(3)采用计算机模拟进行TiCN基金属陶瓷烧结行为的模型构建。通过对于Ti(C,N)基金属陶瓷的晶粒取向数、晶格细分数的选择性输入,系统能量变化等控制过程,输出晶粒生长速度、晶粒大小变化和气孔、晶界的演化模拟过程进行可视化的模拟。结果发现,晶粒随着模拟时间的增加不断长大,大约在225模拟时间步长(MCS)时趋向于亚稳态,晶粒的生长开始趋缓慢。晶粒的整体数目随着模拟时间的增加不断减少,而平均晶粒尺寸明显增大,小晶粒变小或被吞噬,大晶粒不断长大。这与Ti(C,N)基金属陶瓷烧结过程的颗粒扩散、在液相中溶解与过饱和后在大颗粒表面析出的实验观察高度吻合。
