SHS/QC法制备TiC/Al2O3复合陶瓷的显微组织研究

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承,刀具 TiC/Al2O3陶瓷是一种优良的刀具材料。但采用传统的热压烧结、热等静压等工艺，工艺复杂，成本高，而采用新颖的SHS反应-快速加压法，可大大降低工艺的复杂程度［1～3］。　　在利用燃烧合成时发现，材料的相、组织特征与燃烧模式、预热温度、反应物的初始状态等工艺参数关系密切。研究发现［2］，TiO2+C+Al体系在常温下的燃烧方式多为不稳定的螺旋燃烧，随着预热温度升高，燃烧模式发生转变。因此本文主要研究了在不同工艺条件下，随燃烧模式变化，生成TiC/Al2O3复合陶瓷的相、组织特征，并由此讨论了该体系的反应机理。这对于利用该工艺合成性能优良的TiC/Al2O3陶瓷刀具材料具有重要的意义。1　试验方法 　　试验所用Al,TiO2,Al2O3,碳黑粉分别为：29μm，0.5μm，30μm，0.5μm。将它们按不同配比混合均匀，取样冷压成?φ40mm×30mm的试样，相对致密度～50%。试验所用真空加压装置如图1所示。用钨丝引燃试样后，等待一定时间随即加压，制得材料。对燃烧温度、燃烧波速的测定在真空无压状态下进行。通过在试样上、下部位放置热电偶所获得的时间温度曲线上可求取蔓燃时间，从而获得燃烧速度，并通过窥视孔观察蔓燃过程。对制得材料取样后进行了X衍射分析、电子探针及能谱分析。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008888512.gif[/img]图1　真空加压致密装置示意图Fig.1　Schematic representation of consolidatedvacuum equipment2　试验结果与分析2.1　燃烧特征及分析　　图2是燃烧温度、燃烧速度及蔓燃形式随初始温度和稀释剂Al2O3加入量变化的关系。可以看出，随预热温度降低，稀释剂Al2O3加入量增加，导致燃烧温度、燃烧速度降低，燃烧由稳定的平面燃烧向不稳定的螺旋燃烧过渡。这是由于预热温度降低、稀释剂含量增加使SHS过程放热量减小，并使反应物间的相互扩散更加困难所致。由图中还可以发现，燃烧温度在2040℃附近出现了一个恒定的平台，这是Al2O3(其熔点为2040℃)发生熔化的结果。与此对应，发现当燃烧温度从2040℃以上下降到此温度附近时，燃烧速度降低十分显著，这说明反应受扩散控制明显，Al2O3的熔化加速了反应物间的扩散，从而使燃烧速度大大提高。　　图3是利用测定的波速及燃烧温度，根据波速方程［1］： [img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/20088885124.gif[/img][img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/20088885140.gif[/img]图2　燃烧温度及燃烧速度与稀释剂Al2O3含量、预热温度的关系(a)燃烧温度与预热温度、稀释剂Al2O3含量的关系；(b)燃烧速度与预热温度T0、稀释剂Al2O3含量的关系Fig.2　The relationships among combustion temperature and speed and diluent(Al2O3) content and preheating temperature[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008888524.gif[/img]图3　体系的-ln(v/Tc)与1/Tc的关系曲线Fig.3　Plot showing the relationship between-ln(V/Tc) and 1/Tc in the system其中：v是燃烧波蔓延速度；f(n)为动力学级数n的函数；Tc燃烧温度；R是气体常数；K0是常数；E?是过程的激活能；K是产物比热；q是反应热；ρ是产物密度从-ln(V/Tc)对1/Tc的关系曲线可以看出，所测定的点都近似分布成一条直线，对这些点进行拟合，根据直线的斜率可计算得到该体系的激活能为323kJ/mol，发现它与Ti-C自蔓延体系的反应激活能［1］310kJ/mol接近，这说明在体系Al-TiO2-C中所发生的两个前后相继的反应过程［2］：(a)Al+TiO2；(b)［Ti］+C，实际是由后一步反应对整个体系的反应起控制作用，比较C在TiC中扩散激活能［4］(234～410kJ/mol)，可以认为，［Ti］+C反应中C在TiC中的扩散过程是整个反应的控制环节。　　图4是X衍射分析的结果，由图可见当稀释剂Al2O3含量增加到一定量时(此时燃烧为不稳定的螺旋燃烧形式)，反应产物中出现了少量的残余相TiO2。由前述可知稀释剂Al2O3含量的增加导致该体系中无论是Al+TiO2，还是［Ti］+C反应的扩散过程进行都更加困难，因而最终引起反应不完全。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/20088885231.gif[/img]图4　燃烧产物的X衍射结果(a)稀释剂Al2O3含量0wt%，T0＝25℃；(b)稀释剂Al2O3含量20wt%,T0＝25℃Fig.4　The XRD results of combustion products2.2　材料的组织及性能　　表1列出了不同加压压力下所得材料的相对致密度。由此可以看出，随压力增大材料的相对致密度增加。在100MPa压力下，其相对致密度已达97.4%。表1　不同压力下获得材料的相对致密度Table 1　Relative density of materials prepared undervarious pressures加压压力/MPa2050100相对致密度/%90.195.997.4　　图5是不同预热温度及不同稀释剂含量下制备材料的微观组织照片。比较图5a，b可以发现，随着预热温度的升高，生成的TiC颗粒变得粗大(平均尺寸从1μm左右增大到2μm左右)，而生成的大块状Al2O3有熔化倾向，当预热温度大于400℃时，反应温度超过Al2O3熔点，生成的Al2O3连接在一起，而TiC颗粒则明显粗化(见图5c，尺寸达到3μm左右)。而外加稀释剂Al2O3的作用则与预热温度相反(见图5d)，使生成的TiC颗粒变得细小，当稀释剂含量达到10wt%时，生成的TiC大约在0.1～1.0μm。并且外加的Al2O3常与反应生成的Al2O3粘连在一起形成聚团块。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008888545.jpg[/img]图5　制备材料的组织照片(a)稀释剂Al2O3含量0wt%，T0＝25℃；(b)稀释剂Al2O3含量0wt%，T0＝200℃(c)稀释剂Al2O3含量0wt%，T0＝400℃；(d)稀释剂Al2O3含量10wt%，T0＝25℃Fig.5　Microstructure photographs of fabricated materials　　SHS燃烧反应的动力学特征在很大程度上影响着合成材料的相、组织。对于Al-TiO2-C体系的SHS反应，其过程先后经历了(a)Al-TiO2；(b)［Ti］+C两步反应，由前述试验结果可知，后一步反应为该体系SHS过程的关键环节，并且C在反应产物TiC的扩散对反应的进程起到实际的限制作用。这表明该体系中，产物相TiC的生成与长大较Al2O3更困难，各种影响扩散过程的外在条件将明显改变生成TiC颗粒的大小。预热温度的升高，提高了反应温度，并延长了SHS反应在高温条件下的持续时间，从而使C原子的扩散更加充分，反应更易进行，故而TiC的生长更为充分，颗粒尺寸变大。从图5c可以发现，预热温度升高，产物Al2O3发生熔化后，这无论对Al-TiO2，还是［Ti］+C间的扩散反应都是有利的，生成的TiC发生明显长大。而稀释剂Al2O3的加入，一方面降低了反应温度，另一方面也增加了Ti，C原子间的扩散距离，使反应更加困难，TiC颗粒的长大受到抑制。　　表2列出了测定材料的力学性能。可以看出，与用普通方法制备的TiC/Al2O3陶瓷材料相比，其各项性能基本相近。 表2　制备材料的力学性能Table 2　Mechanical properties of fabricated materials性能TiC/wt%硬度/HV抗弯强度σ/MPa断裂韧性KIC/MPa*m-1/2普通方法［2，3］301900～2200600～8003.8～4.5SHS-QC3718435874.53　结论　　(1)利用燃烧合成-动态加压工艺成功制备了TiC/Al2O3复合陶瓷，反应生成的TiC分布均匀，颗粒细小圆整，其尺寸在0.5～2μm范围，材料的相对致密度达97.4%，其各项力学性能与采用普通方法制备的材料基本接近。　　(2)随着预热温度的升高，燃烧波速、反应温度升高，反应产物TiC颗粒尺寸增大，当预热温度达到400℃时，产物中出现熔融Al2O3相，这有利于材料的成型。　　(3)稀释剂Al2O3的加入降低了燃烧波速的反应温度，燃烧模式由平面燃烧向不稳定的螺旋燃烧方式过渡，常出现残余反应物，且材料难于致密，但生成的TiC颗粒变得更加细小。

上一篇：网络数控系统的实现

下一篇：位移、速度、位置传感器（上）