TiMoC添加剂制备TiC金属陶瓷复合材料的研究

肖玄

摘 要：本文以钛粉、钼粉熔炼制备TiMo合金，通过理论配碳制备了TiMoC陶瓷粉体。以TiMoC为添加剂通过粉末冶金工艺制备了TiC陶瓷基复合材料。采用XRD、SEM和EDS的方法对粉体及复合材料进行了表征。研究结果表明，TiMo合金和TiMoC陶瓷粉体均为立方晶体结构，以TiMoC添加剂制备的TiC陶瓷基复合材料显微组织中TiC硬质相被富Mo的（Ti，Mo）C环形壳包裹，显微组织得到细化，力学性能得到提高。

关键词：TiMoC；TiC；金属陶瓷；组织；性能

1 引言

金属陶瓷具有高强度、耐磨性好、导热导电性能优良以及耐腐蚀等优点而被广泛用于机械、电子、化工、汽车等领域[1-6]。TiC是重要的金属陶瓷原料，由于TiC和金属粘结相的润湿性较差使得制备的TiC基金属陶瓷韧性偏低，从而限制了其大规模工业生产应用。N的引入能够改善TiC硬质相和金属陶瓷的润湿性，TiCN的研究成为钛基金属陶瓷领域的研究热点。Mo是TiCN基金属陶瓷必不可少的重要添加剂[7-12]。但是Mo一般以Mo粉或Mo2C的形式作为添加剂使用。本实验以自制的TiMoC固溶粉体为Mo元素的添加剂载体，研究了TiMoC固溶体的添加对TiC基金属陶瓷的影响。

2 试样的制备及方法

本实验首先将钛粉和Mo粉按摩尔比1：1冶炼成TiMo合金，并将其氢化制粉。然后将TiMo粉按计量比配石墨，经球磨混匀后压制成柱状圆坯于1700 ℃真空烧结制备TiMoC固溶粉体。

TiC基金属陶瓷的制备为市售TiC添加金属Co、Ni粘结相合成。其中，TiC含量为80%、粘结相占20%、Co含量为12%、Ni含量为8%。添加TiMoC固溶粉体的TiC基金属陶瓷对比实验中，TiMoC的添加量为5%。其中，市售Ti粉纯度大于99.5%，粒度为400目。Mo粉纯度为99.9%，粒度为2.6 um。Ni粉纯度为99.85%，粒度为-200目。Co粉纯度为99%，粒度为-200目。混合粉料在球磨机内进行湿磨混匀的工艺参数为：球磨时间为8 h，球磨转速为200 r/min。混合粉料干燥后在350 MPa压力下压制成形。压坯经真空烧结制得TiC基金属陶瓷，烧结温度为1430 ℃，保温时间为1 h。

采用DX-2700型X射线衍射仪对TixMo1-x粉体及TixMo1-xC基金属陶瓷进行物相分析。实验参数为：管电压40 kV、电流30 mA、Cu靶、波长为1.54 ，使用单色器滤波，扫描范围为10°～90°，步长0.02°；用TESCAN VEGAⅡLMU型扫描电镜对添加TiMoC的TiC基金属陶瓷显微组织进行观察。维氏硬度在HV-50A图像处理计上测量，加载载荷为20 kg。抗弯强度测试在万能力学性能测试仪上进行。

3 实验结果分析与讨论

3.1 TiMoC硬质相的制备

图1为Ti粉和Mo粉熔炼合成的Ti0.5Mo0.5合金XRD衍射图。从图1中可以看出，产物为单一的Ti0.5Mo0.5（JCPDS04-004-8876）立方相。Ti0.5Mo0.5相的衍射晶面由（110）、（200）、（211）、（220）、（310）组成，晶格常数为a=3.175。将Ti0.5Mo0.5合金氢化后研磨成粉体，按理论配碳制备的TiMoC陶瓷硬质相的物相衍射结果如图2所示。Ti0.5Mo0.5相转化为Ti0.33Mo0.67C（JCPDS04-002-9769）立方相。Ti0.33Mo0.67C的衍射晶面由（111）、（200）、（220）、（311）、（222）、（400）组成，晶格常数为a=4.326。Ti0.5Mo0.5形成Ti0.33Mo0.67C立方相的过程导致立方晶胞长大。此外，图1和图2中的衍射晶面指数均属于全奇全偶分布，说明Ti0.5Mo0.5和Ti0.33Mo0.67C立方相结构中原子间呈无序分布[13-14]。

3.2 TiC金属陶瓷的显微组织分析

将合成的Ti0.33Mo0.67C以添加剂组分制备的TiC基金属陶瓷，和未添加Ti0.33Mo0.67C制备的TiC基金属陶瓷显微组织对比如图3所示。从图3中可以看出，相同放大倍数下添加Ti0.33Mo0.67C后制备的TiC基金属陶瓷显微组织得到了明显的细化，孔隙率大幅降低。主要是由于高温烧结过程中硬质相TiC和粘结相的润湿性较差，液相形成后部分TiC溶解到粘结相中，未溶解的TiC颗粒相接触从而聚集长大。溶解在粘结相中的TiC随后在未溶解TiC颗粒上析出。因此，图3（a）中可以看出聚集长大的硬质相TiC颗粒。添加Ti0.33Mo0.67C后，Mo元素溶解在粘结相中优先扩散到硬质相TiC颗粒周围形成包覆层，包覆组织的出现避免了TiC颗粒之间的直接接触，从而有效抑制了烧结过程中TiC颗粒的粗化长大[15-17]。进一步将添加Ti0.33Mo0.67C后制备的TiC基金属陶瓷显微组织中的包覆结构进行了EDS成份分析。

添加Ti0.33Mo0.67C后所得TiC基金属陶瓷显微组织中黑芯区和包覆壳区的EDS成份分析结果分别如图4所示。从图4中可以看出，芯部a区域主要由Ti和C元素组成，包覆壳b区域由Ti、C和Mo元素组成。由此可知， Mo元素扩散到TiC硬质相周围和TiC颗粒发生固溶形成TiMoC。包覆层结构改善了TiC硬质相和粘结相的润湿性，使得TiC基金属陶瓷组织更加致密。

3.3 综合力学性能分析

TiC基金属陶瓷的综合力学性能结果如表1所示。与未添加Ti0.33Mo0.67C制备的TiC基金属陶瓷相比，添加Ti0.33Mo0.67C后制备的TiC基金属陶瓷抗弯强度从427 MPa提高到835 MPa，提高了43%。硬度从HV1325增加到HV1480，提高了10%。对比数据，说明TiMoC作为添加剂可以改善TiC基金属陶瓷的显微组织，从而提高其综合力学性能。

4 结论

（1） Ti0.5Mo0.5合金配碳后形成Ti0.33Mo0.67C立方相导致晶格常数增加，衍射晶面均为全奇全偶规则。

（2） 添加Ti0.33Mo0.67C后制备的TiC基金属陶瓷显微组织得到了明显的细化，孔隙率大幅降低。Mo元素在烧结过程中扩散到TiC硬质相周围形成包覆壳，阻碍了TiC颗粒的粗化长大。

（3） 添加Ti0.33Mo0.67C后制备的TiC基金属陶瓷力学性能提高，抗弯强度提高了43%，硬度提高了10%。

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