两步法无压烧结高强韧TiB2-TiC陶瓷的致密化机理与组织性能调控

TiB2-TiC composite has superior mechanical property, electric property and overall properties such as corrosion resistance, oxidation resistance and bulletproof, which makes it has broad application prospects in the areas of cutting tools, bulletproof armour, cathode of Hall-Heroult cell for electrolytic aluminium. While its application is currently limited by its poor sinterability, brittleness and high cost. A new idea of fabricating low-cost, high strength, high toughness TiB2-TiC ceramic composites with homogeneous distributed fine plate-like TiB2 grains though two-step pressureless-sintering with high energy ball milling assisted is proposed in this project. The influence of composition, ball milling process, additive and its content, sintering process and sintering atmosphere on the microstructure and mechanical properties will be studied systematically to reveal the densification and toughening mechanisms of the composite, growth and controlled conditions of plate-like TiB2 grains, and obtain the TiB2-TiC ceramic composites with higher mechanical properties and its optimized pressureless sintering process. The accomplishment of the project will provide a new idea of designing and toughening the ceramic composites, and raise a new path to prepare the low-cost and machinable ceramic composites.

TiB2-TiC复合材料因具有优异的力学性能、电学性能及良好的耐磨、耐腐蚀、抗氧化和抗弹等综合性能，在切削刀具、防弹装甲、电解铝的霍尔-埃鲁特电池阴极等诸多方面具有广泛的应用前景，但烧结难、脆性大、服役可靠性差等缺点限制了其应用。本项目提出采用高能球磨辅助两步无压烧结工艺，实现TiB2板状晶的均匀细小分布，以获得低成本、高强度、高韧性TiB2-TiC复合材料的新思路。系统研究高能球磨混料工艺、成分、添加剂种类和含量、烧结工艺、烧结气氛等参数对材料的显微组织和力学性能的影响，揭示其致密化机理、韧化机理、TiB2板状晶的生长机制与控制条件及界面结构对力学性能的影响规律，最终获得力学性能优异的TiB2-TiC复合材料及其无压烧结工艺。本项目的完成将为硼化物-碳化物陶瓷复合材料的优化设计和强韧化提供新的思路，为高性能陶瓷基复合材料构件的低成本制备提供有效途径。

本项目针对TiB2-TiC复合材料烧结难、脆性大、可靠性差等缺点，提出采用高能球磨结合两步法无压烧结制备TiB2-TiC复合材料的新思路。通过高能球磨及除氧剂的添加有效提高粉末的烧结活性，设计出低温反应预烧结，高温快速致密化及促进TiB2板状晶原位生长发育的“两步法”烧结工艺，成功实现TiB2-TiC复合材料强韧化。系统研究高能球磨工艺、材料成分、添加剂种类含量及其烧结工艺等参数对复合材料组织结构和力学性能的影响规律，揭示其致密化机理、强韧化机制、TiB2板状晶的生长机制以及相界面结构对力学性能的影响规律，最终获得力学性能优异的TiB2-TiC复合材料。.发现低温长时间保温利于除氧和通过晶格扩散排出气孔并抑制晶界迁移，高温烧结实现闭气孔的扩散迁移和快速致密化，并促进TiB2 板状晶的发育生长。对比发现无压烧结有利于TiB2 板状晶的发育，而热压烧结择抑制其发育。阐明了复合材料中TiC核壳结构产生的原因是W原子由TiC晶粒由外向内扩散固溶不均导致的固溶分相。首次发现低温无压烧结可以获得高比例的异相共格界面，1500℃/4h无压烧结得到的复合材料中存在27%的两相共格界面，其位相关系为TiC[1-10]∥TiB2[1-210]，TiC(111)∥TiB2(0001)，共格比例随烧结温度的升高而降低。TiB2板状晶内部以界面共格形式析出的TiC纳米相与母相之间具有同样的位相关系。.1500℃/4h+2000℃/1h两步法无压烧结制备的TiB2-TiC复合材料具有优异的力学性能，其维氏硬度、弹性模量、抗弯强度和断裂韧性分别为21.4GPa、507GPa、721MPa、6.30MPa·m1/2，主要增韧机制为TiB2 板状晶的裂纹偏转和桥连。TiB2-TiC复合材料的摩擦系数随摩擦时间的变化较小，随载荷和试验温度的升高，摩擦系数增大。在4.9N载荷下，室温和400℃的摩擦系数分别为0.12和0.18，室温下的体积磨损率为1.53×10-6mm3/Nm。磨损机理以粘着磨损为主，伴随磨粒磨损与疲劳磨损。.本项目为硼化物-碳化物陶瓷复合材料优化设计及强韧化提供新的思路，为高性能陶瓷基复合材料低成本制备提供有效途径，并开发出了一种新型刀具材料。