微波作用下超细无芯环新结构(Ti,W,Mo,V)(C,N)基金属陶瓷的可控制备与机理研究

本项目率先采用化学液相还原和预氢处理技术制备出高分散性的核壳结构型(Ti,W,Mo,V)(C,N)/(Co,Ni)复合粉，提出从研究其与微波的耦合特性的角度揭示其微波冶金机制，指导微波烧结工艺优化设计，并结合复合体系的核壳结构的调控，来优化无芯环新结构碳氮化钛基金属陶瓷材料的微观结构与性能，最终实现其可控制备的新思路。研究内容包括:(1)高纯、高分散性核壳结构复合粉的可控制备;⑵核壳复合体系与微波的耦合特性研究;⑶核壳结构复合体系的微波冶金机制研究;⑷采用神经网络技术建立微波烧结工艺、金属陶瓷微观组织、及其强韧性三者之间关系，预测出最优微波烧结工艺，并实验验证，揭示微波作用下无芯环结构(Ti,W,Mo,V)(C,N)基金属陶瓷的微观结构演化机理及其结构与性能之间关系。本项目研究将为研制高性能碳氮化钛基金属陶瓷材料提供有效理论基础和实践途径，具有重要科学意义和应用价值。

本项目从Ti(C,N)基金属陶瓷微观结构设计的角度，先直接了合成与传统Ti(C,N)基金属陶瓷中环形相相似组织的(Ti,W,Mo…)(C,N)粉，并研究了其制备过程中的微观结构演变规律及冶金机理，发现纳米晶(Ti,W,Mo,V)(C,N)多元复合固溶体粉制备物相演变遵循逐级还原理论，结合工艺调控在1450℃真空碳热还原氮化4h条件下，制备出了粒径约200nm的(Ti,W,Mo,V)(C,N)固溶体粉末；进一步针对基于(Ti,W,Mo…)(C,N)粉为原料采用真空烧结或低压烧结方法制备的无芯环新型结构Ti(C,N)基金属陶瓷中存在的致密化烧结温度高（1500℃），晶粒长大严重，以及因球磨混料中固溶体粉和Co、Ni分布不均，在烧结时易出现“钴池”或“镍池”等制备和微观组织上的缺陷，本项目采用了化学液相还原和预氢处理技术制备了高分散性、高纯(Ti,W,Mo,V)(C,N)@(Co,Ni) 核壳结构复合粉，并揭示了核壳结构形成机理，发现液相还原过程中，在比表面能作用下还原出金属Co微晶优先吸附在(Ti,W,Mo,V)CN固溶体粉表面，并成为后续被还原Co的形核核心，通过异质形核长大，形成完整的包覆层，通过敏华-活化以及氢处理等工艺调控制备了氧含量为0.57wt%，游离碳0.27wt%(Ti,W,Mo,V)(C,N)@(Co,Ni)核壳结构高品质复合粉；进而研究了核壳结构复合粉与微波的耦合特性，发现每颗都由Co均匀完整包覆(Ti,15W,5Mo,0.2V)(C,N)的核壳结构复合粉独立微结构单元而言，其主要是以涡流加热引起的电阻损耗和介电损耗机制，其正切损耗值达到1.62，微波渗透深度超过3mm，有利于微波烧结。在此基础上，采用真空微波烧结方法制备了由粘结相包围着(Ti,W,Mo,V)(C,N)硬质相的无芯环新型结构Ti(C,N)基金属陶瓷，进一步揭示其微波烧结冶金机理，尤其是微观组织结构演变和致密化规律；研究了微波烧结工艺对金属陶瓷组织结构和性能之间的影响规律，制备出了硬质相晶粒细约200-500nm，粘结相分布均匀，抗弯强度1289MPa，HRA1237MPa，韧性7.63MPa.m1/2的无芯环新结构(Ti,W,Mo,V)(C,N)基结构金属陶瓷材料，这为碳氮化钛金属陶瓷的微波烧结技术的实用化奠定理论基础。