基于液相烧结过程的Ti(C,N)基金属陶瓷/钢无外压扩散连接机理

Ti(C,N)-based cermets possess low density, low friction coefficient, high hardness and excellent wear-corrosion resistance but relatively poor toughness. By welding with steel, cermets can be used in severe environment which requires comprehenssive properties. At the present, the welding processes of cermets and steel are usually aided by external force and interlayer. Furthermore, the preparation of cermets and welding process usually proceed step by step. In the project, the powder metallurgy technology and welding process are combined, internal force generates when cermet green bodies shrink to contact with steel substrates, then the steel substrates diffuse with cermets during the liquid phase sintering stage, therefore, the diffusion bonding forms without external force and interlayer. The effect of cermet and steel characteristics, fitting clearance, and technological parameters are studied, the evolution law of internal force and interface diffusion process are analyzed, the microstructure, properties and residual stresses are characterized. Finally, the diffusion bonding mechanism based on liquid phase sintering is revealed. The research results can act as the theoretical support of new welding technology for Ti(C,N)-based cermets and steel, and help to the deep utilization of rich Ti resources in China especially in Panxi Region of Sichuan province. 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、高硬度和高耐磨耐腐蚀性,但强韧性不足，通过与钢的连接可满足磨损腐蚀环境中高参数工况的要求。目前，金属陶瓷与钢的连接方法需要外加压力或外加中间层，且金属陶瓷制备与连接过程分步进行。本申请提出将粉末冶金技术和连接过程相结合，利用金属陶瓷生坯烧结收缩至与钢基体接触后产生的内生压力，以及处于液相烧结阶段的金属陶瓷与钢基体之间的界面扩散，在不加中间层的条件下实现界面冶金结合。项目研究金属陶瓷与钢基体的材料特性、装配间隙及温度等工艺参数的影响；分析内生压力的演变规律；探索钢与处于液相烧结阶段的金属陶瓷之间的界面扩散过程；表征界面微观组织、力学性能和残余应力状态等；最终揭示基于液相烧结过程的扩散连接机理。本项目研究为新型Ti(C,N)基金属陶瓷/钢连接技术提供理论支撑，有利于我国（特别是四川攀西地区）丰富钛资源的深度开发利用，具有重要的工程意义和科学价值。

Ti(C,N)基金属陶瓷具有低密度、低摩擦系数、高硬度和高耐磨耐腐蚀性,但强韧性不足，通过与钢的连接可满足磨损腐蚀环境中高参数工况的要求。目前，金属陶瓷与钢的连接方法需要外加压力或外加中间层，且金属陶瓷制备与连接过程分步进行。本申请提出将粉末冶金技术和连接过程相结合，利用金属陶瓷生坯烧结收缩至与钢基体接触后产生的内生压力，以及处于液相烧结阶段的金属陶瓷与钢基体之间的界面扩散，在不加中间层的条件下实现界面冶金结合。项目主要进行了以下几方面的研究：（1）进行了内生压力辅助无外压扩散连接工艺参数的优化研究。最优的扩散连接温度为1320℃以确保金属陶瓷基体液相烧结致密化的完成及扩散连接的实现；最优的基体间隙为0.75mm以获得扩散连接时适当的基体表面接触开始时间和接触紧密程度。（2）研究了内生压力辅助无外压扩散连接的接头形成机理。扩散连接过程中，金属陶瓷与钢接触后Ti、Ni成分向钢的表面扩散，钢中的Fe元素向金属陶瓷扩散；受烧结过程中金属陶瓷表面的Ti-N热力学耦合作用及元素自身扩散距离的影响，在金属陶瓷/钢界面形成了包括富Fe-Ni表层、Fe-Ni粘结金属陶瓷区、Fe-Ni奥氏体区、Fe-Ni马氏体区的Fe-Ni基扩散组织。（3）对内生压力辅助无外压扩散连接的接头微观组织与性能进行了表征。改变金属陶瓷中的WC、Mo2C等碳化物添加剂，Ni、Co等粘结金属和扩散连接工艺参数等，对接头的微观组织与成分的分析表明接头中的各种组织区域的厚度会随上述因素而变化；采用有限元模拟的方法分析了接头的残余应力状态，由于扩散连接接头的成分与组织上具有一定的连续性，同时使残余应力集中区域的位置转移到韧性区，缓解了接头残余应力，降低了裂纹形成和扩展的可能性，有利于提高接头强度。接头的硬度分布和抗剪强度的检测表明接头的力学性能指标与接头的微观组织及残余应力状态密切相关,在优化的工艺条件下可获得与传统方法相近的接头抗剪强度。本项目研究可拓展金属陶瓷与钢连接的研究领域，有利于我国（特别是四川攀西地区）丰富钛资源的深度开发利用，并为新型Ti(C,N)基金属陶瓷/钢连接技术提供理论支撑，具有重要的工程意义和科学价值。