機械合金化制備TiB2-TiC復(fù)相陶瓷及其性能研究.pdf

1、TiB2-TiC復(fù)相陶瓷因具有極高的熔點、超強的硬度和良好的高溫力學(xué)性能被廣泛用作耐磨結(jié)構(gòu)件、裝甲防護(hù)材料、涂層和切削工具等。此外，其優(yōu)良的導(dǎo)電性、高溫化學(xué)穩(wěn)定性和較強的耐腐蝕能力，在鋁電解陰極材料和鋁化處理揮發(fā)舟等方面也有廣泛的應(yīng)用。然而，由于TiB2和TiC的熔點極高(3225℃和3067℃)，燒結(jié)過程中自擴散系數(shù)低等特點，經(jīng)常壓燒結(jié)制得的材料開口孔隙度高達(dá)10～20％，力學(xué)性能較差;熱壓工藝雖然能提高材料的致密度，但制造成本昂貴，

2、材料形狀和尺寸容易受到模具限制，缺乏工業(yè)價值，因此開發(fā)具備工業(yè)應(yīng)用價值的TiB2-TiC復(fù)相陶瓷勢在必行?；谝陨媳尘?，本論文充分利用機械合金化前驅(qū)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，采用低溫?zé)o壓燒結(jié)制備致密的TiB2-TiC復(fù)相陶瓷，該工作無論對于突破熱壓束縛，制備異型件和大體積構(gòu)件，還是擺脫特殊工藝需求均具有重要參考價值。
　　目前，稀土電解槽結(jié)構(gòu)仍然以陰、陽電極平行豎直布置為主，這種結(jié)構(gòu)的電解槽在稀土生產(chǎn)實踐中暴露出很多問題，如高能耗、高污染和

3、高成本等，應(yīng)用和推廣潛沒陰極式稀土電解槽可提高生產(chǎn)效率、降低能耗，減少環(huán)境污染等。TiB2-TiC復(fù)相陶瓷因具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、高溫化學(xué)穩(wěn)定性以及對金屬液良好的潤濕性而成為潛沒陰極式電解槽極具競爭力的陰極材料?；诖耍n題對制備的TiB2-TiC復(fù)相陶瓷進(jìn)行了潤濕性、抗腐蝕性和抗熱震性等性能的研究，并探討其在潛沒陰極式釹電解槽上應(yīng)用的可行性，為潛沒陰極式電解槽陰極材料的選擇提供科學(xué)依據(jù)。
　　以Ti和B4C為原料，利用機械合金化方法

4、制備TiB2-TiC復(fù)相陶瓷前驅(qū)體。在球磨過程中，混合粉末中Ti因為晶粒細(xì)化和內(nèi)部應(yīng)力增加，導(dǎo)致其衍射峰強度隨著球磨時間的延長不斷下降，B4C的衍射峰強度不斷降低，甚至部分消失。產(chǎn)物相TiC在球磨18h后開始生成，TiB2在球磨24h后生成，產(chǎn)物衍射峰強度及含量均隨著球磨時間的延長不斷增加，球磨48h后的粉體粒徑可達(dá)30～50nm。
　　燒結(jié)溫度對TiB2-TiC復(fù)相陶瓷的力學(xué)性能有重要的影響。隨著溫度的升高，TiB2-TiC復(fù)相

5、陶瓷相對密度、硬度不斷增加，抗彎強度和斷裂韌性先增加后減小。獲得TiB2-TiC復(fù)相陶瓷較好力學(xué)性能的實驗條件為:粉體球磨48h，燒結(jié)溫度為1800℃，保溫時間為2h，其相對密度可達(dá)98.4％，抗彎強度高達(dá)487MPa，硬度值(HRA)為94.7，斷裂韌性為5.83 MPa·m1/2。通過研究TiB2-TiC復(fù)相陶瓷相界面和顯微結(jié)構(gòu)可知，前驅(qū)體在陶瓷制備過程中更利于TiB2和TiC相間共格結(jié)構(gòu)的形成，而且對于控制樣品內(nèi)部晶粒尺寸和促進(jìn)T

6、iB2棒狀晶體的生長有重要的作用。
　　NdF3-LiF-Nd2O3熔體在TiB2-TiC復(fù)相陶瓷上的潤濕過程呈現(xiàn)出一個非平衡系統(tǒng)的特征，整個潤濕過程在初期相當(dāng)迅速，但當(dāng)時間達(dá)到8min后，接觸角隨時間的延長緩慢降低，三相平衡時的接觸角為14.8°，其潤濕性符合潛沒陰極式釹電解槽陰極材料的要求。TiB2-TiC復(fù)相陶瓷熱膨脹系數(shù)是衡量材料的熱穩(wěn)定性好壞的重要指標(biāo)之一，實驗測得TiB2-TiC復(fù)相陶瓷的平均線膨脹系數(shù)為6.071×1

7、0-6/℃，表明TiB2-TiC復(fù)相陶瓷具有較好的抗熱震能力，能夠耐受電解槽多次熱啟動時的熱震損傷;利用穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱法測量TiB2-TiC復(fù)相陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的線性變化關(guān)系為λ=2.1788+0.00767T。
　　采用電化學(xué)動電位極化曲線和高溫靜態(tài)浸沒實驗研究TiB2-TiC復(fù)相陶瓷在不同介質(zhì)中的低溫和高溫腐蝕行為。極化曲線顯示TiB2-TiC復(fù)相陶瓷在低溫酸性、堿性和中性腐蝕液中均表現(xiàn)出鈍化現(xiàn)象，但是產(chǎn)生的鈍化膜是非致密的，它

8、對溶液中的離子傳輸起著阻礙并非阻止作用。根據(jù)高溫腐蝕介質(zhì)中的特定元素Ti含量的變化得出TiB2-TiC復(fù)相陶瓷24h內(nèi)在Al液中的平均腐蝕速率0.0003544 g·cm-2·h-1，35h內(nèi)在NdF3-LiF-Nd2O3熔鹽中的平均腐蝕速率為0.0041 g·cm-2·h-1。通過EDS和XRD分析腐蝕截面的元素和物相，得出腐蝕過程中基體與高溫熔鹽沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，高溫熔體腐蝕TiB2-TiC復(fù)相陶瓷的主要途徑是通過陶瓷內(nèi)部的顯氣孔和