原位自生成NbC颗粒增强铁基复合材料的制备与性能研究

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随着科学的进步和现代工业化技术的发展,对材料性能的要求越来越高,单一的材料已经不能满足现代工业的要求,为了适应对新材料的要求,颗粒强化复合材料(PPMC)已成为国内外研究热点。本文首先利用机械活化法将Nb2O5均匀分散在Fe基体中,再通过微波烧结工艺制备出颗粒增强铁基复合材料。本文通过机械活化法和微波烧结工艺制备了铁基复合材料,对该材料的微观结构和力学性能进行了研究,主要的研究工作如下:(1)探究不同球磨时间和烧结温度对Nb2O5微波碳热还原的影响。(2)利用机械活化和微波烧结工艺制备铁基复合材料,并对其力学性能和微观组织结构进行分析。(3)探究加入微量合金化元素La和添加不同质量分数的Nb2O5对铁基复合材料力学性能和微观组织结构的影响。得到以下结论:(1)Nb2O5的微波碳热还原程度与球磨时间和烧结温度有关,由失重率可以看出随着球磨时间的延长和烧结温度增加,失重率逐渐增加,说明Nb2O5还原程度逐渐增加,并结合球磨后粉料的扫描电镜(SEM)图和能谱(EDS)图可以看出,随着球磨时间的延长,C颗粒会逐渐细化,并均匀的分散在Nb2O5中,有利于还原反应的进行。根据烧结后粉料的XRD图谱、扫描电镜(SEM)图、能谱(EDS)图和XPS图谱可知,在烧结1200℃,球磨20 h时Nb2O5已基本被还原成Nb C,当球磨30 h,微波烧结1400℃时,可以还原出金属铌。(2)制备铁基复合材料球磨粉末时,随着球磨时间的延长球磨粉末的出粉率逐渐降低,粒度逐渐减小,比表面积逐渐增大,颗粒逐渐均匀化。在烧结温度较低时,球磨粉料的粒度对铁基复合材料的力学性能影响较大。随着烧结温度升高,逐渐由铁基本身烧结状态和各成分在铁基中的存在形式共同影响铁基复合材料的力学性能。在球磨20 h烧结1400℃时铁基复合材料的密度达到最大为7.827 g/cm~3,当烧结温度为1300℃,球磨时间为20 h时,铁基复合材料的力学性能最佳,硬度为688 HV,抗折强度为536 MPa。(3)在铁基复合材料中加入不同质量分数La元素后,材料的力学性能呈先上升后下降的趋势。少量的La元素可以有效的增加Nb C颗粒与铁基之间的结合能力,添加0.3%时,材料的力学性能最佳,硬度和抗折强度分别为958 HV和833 MPa。由于铁基本身受C含量的影响,加入不同质量分数的Nb2O5对铁基复合材料硬度硬性较大,抗折强度影响较小,当添加10%的Nb2O5时,材料的力学性能性能达到最佳,硬度和抗折强度分别为960 HV和578 MPa。
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