鈷包覆Al-,2-O-,3--TiC復(fù)合材料的力學(xué)性能及強(qiáng)韌化機(jī)制.pdf

1、Al2O3-TiC復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱AT)是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷，由于高的硬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨性，得到了較為廣泛的應(yīng)用。但在使用中存在開(kāi)裂及表面剝落等現(xiàn)象，表明其韌性和強(qiáng)度較低，還有待提高。 采用化學(xué)鍍的力法將金屬Co包覆在Al2O3和TiC粉體的表面，可望避免傳統(tǒng)球磨法所導(dǎo)致的有少量金屬相的陶瓷粉體混合不均勻的問(wèn)題；通過(guò)加入少量金屬相進(jìn)行界面改性，改善單一顆粒增韌的強(qiáng)韌化效果，實(shí)現(xiàn)復(fù)合增韌。 本研究采用熱壓燒結(jié)工藝制

2、備了Co包覆Al2O3-TiC復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱ATC)，主要研究?jī)?nèi)容如下：采用不同Co含量(1.5～5vol％)的包覆型Al2O3和TiC混合粉體進(jìn)行了1500～1700℃的熱壓燒結(jié)實(shí)驗(yàn)研究，并檢測(cè)了各試樣的常溫下的硬度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性。作為對(duì)比，在1700℃熱壓燒結(jié)了未包覆的AT復(fù)合材料。與AT復(fù)合材料相比，ATC復(fù)合材料的力學(xué)性能有較大幅度的提高。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，可以認(rèn)為4vol％的Co含量為最佳含量，最佳綜合力學(xué)性能為：硬度HRA

3、為92.7、σ為782MPa，KIC為7.81MPa·m1/2。其斷裂韌性、斷裂強(qiáng)度與AT復(fù)合材料相比分別提高了59％和40％。進(jìn)一步的工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明，最佳工藝為1650℃/30min/30MPa。 利用XRD、EPMA、SEM、TEM和HRTEM研究了ATC4復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。表征結(jié)果表明，復(fù)合材料的相組成為α-Al2O3、TiC和Co，沒(méi)有新相生成。Co相在Al2O3基體中分布比較均勻，部分位于TiC與Al2O3的界

4、面間，且分布良好。晶間的Co顆粒對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎，亞界面的形成使基體細(xì)化。斷裂方式為沿晶與穿晶混合斷裂，并且可見(jiàn)較高長(zhǎng)徑比晶粒的拔出。HRTEM觀察表明Co與Al2O3兩者間的界面主要為半共格界面。由于燒結(jié)溫度高于Co的熔點(diǎn)，在降溫過(guò)程中Co由熔融態(tài)凝結(jié)為固態(tài)，Co傾向于與Al2O3晶面成擇優(yōu)取向方向結(jié)合。 ATC4復(fù)合材料中的Co顆粒熱殘余應(yīng)力增韌和廷性金屬相增韌對(duì)增韌的貢獻(xiàn)均較微弱。ATC4復(fù)合材料的韌性提高主要來(lái)自裂紋和Ti

5、C顆粒直接作用時(shí)更為有效的裂紋橋聯(lián)與裂紋偏轉(zhuǎn)?！熬чg型”Co顆粒同時(shí)起到了細(xì)化基體晶粒和強(qiáng)化晶界的作用，并且對(duì)位錯(cuò)還具有釘扎作用。對(duì)材料表面壓痕裂紋的分形維數(shù)的計(jì)算表明，ATC4復(fù)合材料具有更高的分形維數(shù)，斷裂韌性與分形維數(shù)之間存在著正比的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Co對(duì)復(fù)合材料韌性的提高主要表現(xiàn)在其間接作用：Co相既促使具有較高長(zhǎng)徑比的TiC顆粒生成又保證了橋聯(lián)顆粒與基體間相對(duì)較弱的界面結(jié)合，使裂紋橋聯(lián)和偏轉(zhuǎn)機(jī)制得以有效發(fā)揮。 采用急冷-強(qiáng)度

6、法與壓痕-急冷法對(duì)AT和ATC4復(fù)合材料的單次和循環(huán)抗熱震性能進(jìn)行了研究。兩種測(cè)試方法均表明，復(fù)合材料ATC的抗熱震性能比AT的抗熱震性能有所提高。但兩種材料對(duì)循環(huán)熱震都較為敏感，而且在較高循環(huán)次數(shù)下(400℃下20次)循環(huán)熱震后兩者抗熱震性能接近。實(shí)驗(yàn)表明這是由于試樣中的TiC顆粒發(fā)生了顯著的氧化反應(yīng)，生成大量的蘭花狀TiO2造成的?？篃嵴饏?shù)(R、R′、R″″、Rst)的計(jì)算結(jié)果表明，相對(duì)于AT復(fù)合材料，ATC4復(fù)合材料由于具有較高