高强韧耐腐蚀Ti(C,N)基金属陶瓷的研究

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Ti(C,N)基金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温强度,良好的红硬性、耐磨性以及化学稳定性等特点,属于一种新型工程复合材料。优异的综合力学性能和良好的耐腐蚀性能是Ti(C,N)基金属陶瓷材料满足不同服役环境的关键。本研究以不同类型原料粉末,即单组元TiC、TiN与固溶体TiCo.7No.3制备了TiC0.7N0.3-10WC-4Mo2C-3TaC-2.4Cr3C2-l ONi-10Co与TiC-10TiN-10WC-4Mo2C-3TaC-2.4Cr3C2-10Ni-10Co两组金属陶瓷。通过改变Mo2C含量制备了TiC0.7N0.3-10WC-8Mo2C-1.8Cr3C2-0.04La2O3-7.5Ni-7.5Co、TiC0.7N0.3-10WC-10Mo2C-1.8Cr3C2-0.04La2O3-7.5Ni-7.5Co以及TiCo.7N0.3-10WC-15Mo2C-1.8Cr3C2-0.04La2O3-7.5Ni-7.5Co三组金属陶瓷。考察分析了五组金属陶瓷的微观组织结构、力学性能、电化学腐蚀行为以及高温氧化行为,初步探讨了其电化学腐蚀机理与高温氧化机理,主要结论如下:1.五组不同成分的Ti(C,N)基金属陶瓷其组织结构均由单一相成分的立方结构(Ti, M)(Co.7,No.3)的硬质相和立方结构Co-Ni基固溶体粘结相组成,其中M为W、Mo、Cr等合金添加元素。但是,与单组元原料相比,以固溶体原料制备的金属陶瓷其微观组织结构均匀,硬质相晶粒相对细小、芯—环结构完整、环部厚度适中,粘结相中Ti、Ta含量与固溶度较低,综合力学性能显著提高。此外,随着Mo2C含量的增加,合金显微组织细化,硬质相分布均匀,并且硬质相颗粒的棱角钝化,综合力学性能显著提高。当Mo2C含量过高(15wt.%)时,环形相厚度进一步增加,合金力学性能下降。从反应烧结过程中粘结相“触媒—联动”效应与反应扩散有序度的角度对五组金属陶瓷微观组织结构与性能差异进行了解释。2.电化学实验结果表明:五组金属陶瓷在pH=7的Na2SO4溶液中的耐腐蚀性能均最强,在pH=13的NaOH溶液中的耐腐蚀性能优于其在pH=1的H2SO4溶液中的耐腐蚀性能。但是,相对以间隙相型单组元TiC、TiN为原料,以固溶体型TiC0.7N0.3为原料制备的金属陶瓷在三种不同pH值的腐蚀溶液的icorr值和Rct值均有不同程度的降低和提高,腐蚀速率有所减小,耐腐蚀性能提高2倍以上。此外,随着Mo2C添加量的增加,Ti(C,N)基金属陶瓷的耐腐蚀性能降低。3.电化学腐蚀机理为,在三种腐蚀溶液中,由于粘结相与硬质相之间存在明显的电位差,硬质相具有高的化学稳定性,粘结相发生优先腐蚀,硬质相裸露在合金表面,直接与腐蚀溶液接触,进而导致硬质相被腐蚀。在酸性溶液中,粘结相产生活性溶解,腐蚀速率相对较大,而在碱性溶液中,粘结相的钝态氧化产物(Ni(OH)2和Co(OH)2)不易溶解,与其他氧化产物一起附着于粘结相与硬质相的表层,阻碍腐蚀溶液与其接触,可有效保护合金不被腐蚀。4.高温氧化实验结果表明,五组金属陶瓷表面均形成连续致密的氧化膜,氧化膜表层不存在裂纹等缺陷,并且大部分晶粒达到纳米级。此外,氧化后合金近表面区域表现出多层结构的特征,即由表及里分别为氧化表层、中间过渡层以及末发生反应的基体。但是,相比于以单组元TiC、TiN为原料,以TiC0.7N0.3固溶体为原料制备的金属陶瓷在800℃下高温抗氧化性能最强。此外,随着Mo2C含量的增加,合金的高温抗氧化性能逐渐降低。5.Ti(C,N)基金属陶瓷的氧化行为属于“钝性氧化”,其中间过渡层的形成可有效防止基体进一步被氧化。其氧化机制为氧原子由表及里逐渐扩散反应。亲氧性强的Ni、Co、Cr以及Ti元素向合金表面迁移,优先形成富Ni、Co、Cr以及Ti的氧化产物,形成致密的氧化膜,阻止外部氧原子向合金内部的扩散反应,阻挡合金中其他元素元素向外部的扩散反应。
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