高性能Ti(C,N)基金属陶瓷材料制备过程中关键冶金科学问题

Ti(C,N)-based cermets have low density, low friction coefficient, and high hardness and wear-corrosion resistance. Furthermore, the cermets are based on Ti and Ni other than rare metals including W and Co. However, the toughness, property stability and coating adaptability show much difference with cemented carbide, which restricts the application of cermets as cutting tool. The project focuses on the metallurgy processes related to raw powder synthesis, cermets materials fabrication and coating process based on the powder metallurgy process characteristics and the state-of-arts of cermet. Critical metallurgy problems in three aspects are investigated, including the vapor-solid, solid-solid reaction mechanism during the preparation of raw powder and the controlling of morphology, chemical composition, size and C/N of the powder, the N decomposition mechanism and the controlling of core/rim/binder interface structure during the dissolution-reprecipitation process, the vapor-solid mechanism and the matching of films and substrates during coating. Finally, cutting tests are carried out, based on which the materials design and the metallurgy process controlling are realized. The research results can act as the theoretical support for high performance Ti(C,N)-based cermets, and help to the deep utilization of rich Ti resources in China.Therefore, the research has remarkable engineering and scientific significance.

Ti(C,N)基金属陶瓷具有低密度、低摩擦系数、高硬度和耐磨耐腐蚀性，使用相对丰富的Ti、Ni而避免了传统WC硬质合金对战略资源W、Co的消耗与依赖。作为一种大有前途的工具材料，其强韧性、稳定性和可涂层性等与硬质合金相比仍有不足，这制约了它在切削刀具领域的广泛应用。本项目根据金属陶瓷粉末冶金过程特点和目前的研究现状，提出研究原料粉末制备、材料制备、涂层制备三大冶金过程，包括粉末制备中的气-固、固-固反应规律及粉末形貌、成分、粒度与C/N比控制，烧结溶解-析出过程中的氮分解规律与芯/环/粘结相界面结构控制，涂层过程中的气-固界面反应规律及涂层与基体的匹配行为等关键冶金科学问题，并基于切削行为进行（涂层）金属陶瓷的材料设计与冶金过程控制。项目研究为高性能Ti(C,N)基金属陶瓷制备提供理论指导，有利于缓解硬质合金工业面临的资源稀缺问题和我国丰富钛资源的深度开发，具有重要的科学意义和工程价值。

Ti(C,N)基金属陶瓷具有低密度、低摩擦系数、高硬度和耐磨耐腐蚀性，使用相对丰富的Ti、Ni而避免了传统WC硬质合金对战略资源W、Co的消耗与依赖。作为一种大有前途的工具材料，金属陶瓷的强韧性、稳定性和可涂层性等与硬质合金相比仍有不足，这制约了它在切削刀具等领域的广泛应用。本项目根据金属陶瓷粉末冶金过程特点和目前的研究现状，对原料粉末制备、材料制备、涂层制备三大冶金过程中涉及的关键科学问题进行了系统研究以实现金属陶瓷的高性能化。采用第一性原理方法计算了氮元素及过渡族金属元素对(Ti,M)(C,N)的稳定性、晶体结构、电子结构与力学性能等的影响，基于此研究了碳热还原氮化过程中(Ti,M)(C,N)固溶体粉末的反应机理，形成了低氧、低游离碳的亚微米(Ti,M)(C,N)固溶体粉末制备关键技术；对金属陶瓷材料进行了硬质相和粘结相成分设计，研究了碳化物、氧化物、金属间化合物等添加对金属陶瓷微观组织与性能的影响；采用AlN内固氮剂和预固相烧结在Ti(C,N)颗粒表面形成包覆层包覆等方式来解决Ti(C,N)基金属陶瓷材料制备冶金过程中的脱氮问题，实现 Ti(C,N)基金属陶瓷冶金过程中氮稳定化调控；研究了涂层过程中的涂层生长规律和金属陶瓷基体成分对PVD和CVD涂层微观组织与性能的影响，建立了涂层与金属陶瓷基体的匹配关系，并基于切削实验进行涂层金属陶瓷的材料设计与冶金过程控制。本项目研究为高性能Ti(C,N)基金属陶瓷制备提供理论指导，有利于缓解硬质合金工业面临的资源稀缺问题和我国丰富钛资源的深度开发，具有重要的科学意义和工程价值。