关键词:
多层核壳
金属陶瓷
力学性能
微观结构
摩擦性能
摘要:
在Ti(C,N)基金属陶瓷中加入AlO颗粒可通过弥散增韧机制来提高其力学性能,但因热膨胀、润湿、金属相和添加相分布不均导致微观结构不均匀和力学性能较差等问题,在本研究中,将Ni包覆AlO(AlO@Ni)以核壳粉体的形式引入Ti(C,N)基金属陶瓷体系,采用放电等离子烧结(SPS)制备了具有多层核壳结构且综合力学性能较好的Ti(C,N)基金属陶瓷。AlO@Ni核壳粉体的添加使Ni和AlO在基体中的分布更为均匀,放电效果更好,AlO表面Ni的存在改善了金属和陶瓷间的润湿性,强化了AlO和Ti(C,N)之间的结合以及缓和了应力冲击,由于多层核壳结构的形成和晶粒间较高的结合强度,其耐磨性能也得到较大提升。
首先,采用非均相沉淀-热还原法在AlO的表面涂覆金属Ni,Ni以纳米Ni球的形式存在于AlO表面,获得了具有核壳结构的AlO@Ni核壳粉体。以AlO@Ni核壳粉体为添加相,通过利用SPS烧结速度快,金属液相流动时间短等特点制备出了以Ti(C,N)为外层,Ni为中间层,AlO为内层的多层核壳Ti(C,N)基金属陶瓷。结果表明:多层核壳结构的形成改善了AlO和Ti(C,N)之间的润湿性,避免了脆性断裂的出现;金属相的均匀分布细化了基体晶粒,使金属陶瓷的综合力学性能显著提高。多层核壳Ti(C,N)基金属陶瓷在烧结温度为1500℃时具有最佳的综合力学性能,抗弯强度达到1277±21 MPa,较未添加核壳粉体的同组分Ti(C,N)均质金属陶瓷在相同的温度下提高41.73%,硬度和断裂韧性也有较为明显的改善,分别为17.06±0.25 GPa和7.42±0.15 MPa·m,与均质金属陶瓷相比分别提高了3.27%和6.61%。
其次,为了对Ti(C,N)基金属陶瓷的力学性能进一步优化,通过对核壳粉体的制备流程进行优化,制备了四种具有核壳结构的不同Ni含量的AlO@Ni核壳粉体,并将其作为添加相在1500℃制备了具有多层核壳结构且Ni含量不同的Ti(C,N)基金属陶瓷。通过对四种金属陶瓷的烧结曲线进行分析,阐述了不同Ni含量核壳粉体的烧结机理。结果表明:优化粉体制备工艺后所制备的核壳粉体Ni含量与理论设计偏差较小、核壳结构良好。合适Ni含量的AlO@Ni核壳粉体使具有强磁特性的Ni均匀分布在金属陶瓷中,产生快速均匀放电,强化了界面结合性能,改善了烧结特性,力学性能得到显著提升。核壳粉体中过高的Ni含量使其粒径增大,降低了烧结活性,阻碍了晶内型多层核壳结构的形成。当烧结温度为1525℃,保温时间为10 min的烧结参数下,添加Ni在核壳粉体中的含量为30%核壳粉体的多层核壳Ti(C,N)基金属陶瓷的硬度达到18.44±0.30 GPa,金属陶瓷的强韧性也有了明显的提高。
最后,采用SPS在烧结温度为1525℃,保温时间为10 min的烧结参数下制备了添加30%Ni含量AlO@Ni核壳粉体的多层核壳Ti(C,N)金属陶瓷和同组分均质金属陶瓷。采用TRB3型摩擦磨损试验机对两种金属陶瓷的摩擦磨损性能进行了研究,并对多层核壳结构的耐磨机理进行了阐述。结果表明,随着载荷的增加,均质金属陶瓷的摩擦系数出现先减小后增大趋势,而添加核壳粉体的多层核壳结构Ti(C,N)基金属陶瓷的摩擦系数则逐渐降低,两种金属陶瓷的磨损体积逐渐增大。添加核壳粉体后多层核壳结构的形成使Ti(C,N)基金属陶瓷的微观结构更为均匀,其晶粒间具有更高的结合强度,力学性能与Ti(C,N)均质金属陶瓷相比明显提升,在相同的载荷下,其摩擦系数和磨损体积明显低于均质Ti(C,N)金属陶瓷。