论文部分内容阅读
硬质合金具有高强度、高硬度、高耐磨性以及较低的热膨胀系数等众多优点，因此在航空航天、军工、凿岩钻井开采工具、切削刀具、模具等耐磨、耐压领域得到了广泛的应用。其中WC-Co型硬质合金是该领域的主体，但在我国，粘结相Co是一种稀缺与昂贵的战略性资源，并且Co在高温下易软化、化学稳定性较差、易与其他物质发生反应，限制了WC-Co硬质合金在腐蚀性环境及高温条件下的应用。因此，制备兼具高强韧性、低成本的新型代Co类硬质合金，具有重要的研究意义。 在本文中，选用Al2O3代替Co，在此基础上，通过添加TiO2和CNTs增强相调整其结构与性能。采用高能球磨方法制备WC-Al2O3-CNTs-TiO2（WACT）复合粉末，运用热压烧结技术制备WACT复合材料。主要研究内容包括：通过添加不同含量的TiO2，研究了不同TiO2含量对WC-Al2O3-CNTs复合材料微观组织和力学性能的影响；其次，探索了烧结温度对TiO2增韧WC-Al2O3-CNTs复合材料组织和力学性能的影响；最后，探讨了TiO2低温固相烧结复合陶瓷的作用机理。研究结果如下： 1.以WC、Al2O3、CNTs、TiO2为原始粉末，采用高能行星球磨和热压烧结技术制备不同TiO2增韧的WC-Al2O3-CNTs复合粉末，研究TiO2含量对复合材料致密度、晶粒生长及力学性能的影响。结果表明通过高能球磨后，CNTs和TiO2在WC、Al2O3基体粉末中分布均匀，有利于烧结后对复合材料发挥增韧补强的作用。在烧结温度为1540℃，保温时间为1.5 h，烧结压力为39.6 MPa和真空条件下烧结得到的WACT复合材料中，添加一定量的TiO2可以提高烧结时的致密化速率，抑制WC晶粒的生长，从而提高复合材料的硬度及断裂韧性。当TiO2添加量为2.0 wt%时，复合材料致密度达最大值（99.5%），获得最小晶粒尺寸(1.81 um)和最高硬度值（1752 HV）。过量的TiO2会降低烧结试样的致密度和对晶粒生长的抑制作用，从而降低维氏硬度值。从物相分析可知，过量的TiO2会与Al2O3反应生成新相Al2TiO5，钉扎在晶界处，其粗大细长晶型不利于烧结时复合材料的致密化过程，促使晶粒长大，但新相Al2TiO5的存在能进一步提高烧结试样的断裂韧性，使其在TiO2含量为4.0 wt%时，达到最大断裂韧性值7.85 MPa·m1/2。 2.改变烧结温度，将不同TiO2含量的WC-Al2O3-CNTs复合粉末分别在1640℃、1540℃、1440℃、1340℃，烧结压力为39.6 MPa，保温时间为90 min的条件下热压烧结，探讨在TiO2纳米粉末的添加下，烧结温度对复合材料致密度、微观组织及力学性能的影响。并探讨了TiO2低温固相烧结陶瓷材料的作用机理。结果表明：不同TiO2添加量的烧结试样，致密度均随着烧结温度的提高呈上升趋势，并且随着TiO2含量的增加，烧结致密化速率提高，达到相同致密度时所需的烧结温度显著降低。其中，WAC-6TiO2烧结试样与WAC-2TiO2和WAC-4TiO2烧结试样相比，达到相同致密度所需的烧结温度降低了约100℃。当烧结温度为1540 oC，TiO2含量为6.0 wt%时，达到最高致密度值99.6%。但新相Al2TiO5的出现不利于烧结试样的致密化过程。此外，随着烧结温度的降低，WC晶粒尺寸明显下降，在1440℃下烧结得到的试样晶粒尺寸细小并且组织均匀。通过TG/DSC分析，确定了WAC-4TiO2复合粉末烧结过程中Al2O3的相转变温度，以及 TiO2与Al2O3相互反应生成的新相Al2TiO5，以此判断烧结过程中TiO2与Al2O3之间固溶反应的可能性。随着致密度和微观结构的改善，烧结试样的力学性能也随着温度和TiO2含量的改变而发生相应的变化。随着烧结温度的提高，不同TiO2含量的WACT烧结试样的维氏硬度和断裂韧性先增加到最大值，然后呈下降趋势。最高硬度值1752 HV出现在烧结温度为1540℃，TiO2含量为2.0 wt%的试样中，而最佳断裂韧性值8.32 MPa·m1/2出现在烧结温度为1490℃，TiO2含量为4.0 wt%的烧结试样中。最佳维氏硬度和断裂韧性值均随着TiO2含量的增加向低温方向移动，当TiO2添加量为6.0 wt%时，在1440 oC下烧结得到的WAC-6TiO2试样具有较低温度下最优综合性能，致密度达98.4%，维氏硬度为1735 HV，断裂韧性为8.1 MPa·m1/2。 本文中，作者以WC-Al2O3-CNTs复合粉末高能球磨及热压烧结技术为研究基础，率先采用TiO2作为添加剂及烧结助剂来改善复合材料的组织及力学性能，并降低烧结温度，减少能耗，降低成本。同时，利用TEM、XRD、EDS、SEM、TG-DSC等现代分析测试手段对所得复合材料的致密度、热力学、显微结构和力学性能进行分析与表征，并进一步探讨TiO2对陶瓷材料低温固相烧结的作用机理。为WC-Al2O3复合材料的进一步应用与研究奠定了基础。