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Ti(C,N)基多碳化物金属陶瓷的物相结构与表面氧化行为

  • 廖毓1,2,3

    机 构：

    1. 江西理工大学材料科学与工程学院 赣州 341000

    2. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室 宁波 315201

    3. 国家稀土功能材料创新中心 赣州 341101

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  • ， 吕健1

    机 构：

    1. 江西理工大学材料科学与工程学院 赣州 341000

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  • ， 徐凯2

    机 构：

    2. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室 宁波 315201

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  • ， 娄明2

    机 构：

    2. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室 宁波 315201

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  • ， 常可可2

    机 构：

    2. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室 宁波 315201

    ×

1. 江西理工大学材料科学与工程学院 赣州 341000；
2. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室 宁波 315201；
3. 国家稀土功能材料创新中心 赣州 341101；

Phase Structures and Surface Oxidational Behaviors of Ti(C, N)-based Cermets Incorporating Multi-carbides

  • LIAO Yu1,2,3

    Affiliation：

    1. College of Materials Science and Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000 , China

    2. Key Laboratory of Advanced Marine Materials, Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201 , China

    3. National Rare Earth Function Materials Innovation Center, Ganzhou 341101 , China

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  • ， LÜ Jian1

    Affiliation：

    1. College of Materials Science and Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000 , China

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  • ， XU Kai2

    Affiliation：

    2. Key Laboratory of Advanced Marine Materials, Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201 , China

    ×
  • ， LOU Ming2

    Affiliation：

    2. Key Laboratory of Advanced Marine Materials, Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201 , China

    ×
  • ， CHANG Keke2

    Affiliation：

    2. Key Laboratory of Advanced Marine Materials, Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201 , China

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1. College of Materials Science and Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000 , China；
2. Key Laboratory of Advanced Marine Materials, Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201 , China；
3. National Rare Earth Function Materials Innovation Center, Ganzhou 341101 , China；

作者简介:

廖毓，男，1987年出生，硕士。主要研究方向为稀土钨等有色金属新材料制备。E-mail: 1311636029@qq.com

娄明，男，1988年出生，博士，副研究员。主要研究方向为金属陶瓷材料服役行为。E-mail: louming@nimte.ac.cn

通讯作者:

娄明，男，1988年出生，博士，副研究员。主要研究方向为金属陶瓷材料服役行为。E-mail: louming@nimte.ac.cn

中图分类号:TG156；TB114

DOI:10.11933/j.issn.1007-9289.20231230002

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目录contents

    摘要

    深地钻探高温、氧化、冲蚀的苛刻服役环境对金属陶瓷复合材料的强韧、抗氧化等性能提出更高的要求。在常规商用多碳化物（WC、Mo2C）金属陶瓷体系的基础上，进一步添加 TiC、TaC 制备了两种 Ti(C,N)基金属陶瓷，并重点对其物相结构、力学性能和抗氧化性能进行研究。结果表明，两种多碳化物金属陶瓷的物相结构均包含(Ti,M)(C,N)(M=W、Mo、Ta)硬质相和(Co,Ni)粘结相；相较于 TiC 添加金属陶瓷，含 TaC 金属陶瓷的硬质相颗粒尺寸更大、强韧匹配更好。热力学计算结果表明，Ta 原子在粘结相中的固溶度低于 Ti 原子，因而更易通过“溶解-析出”过程促进硬质相长大，起到增韧效果。在高温氧化环境中，Ta5+可以替换 TiO2氧化层中的 Ti4+，使得该氧化层中的 O 空位浓度降低、O 原子扩散系数增大，因而提升了金属陶瓷的抗氧化性能。上述研究结果显示了 TaC 在增强 Ti(C,N)基金属陶瓷力学性能和抗氧化性能方面的重要作用，有望指导未来金属陶瓷新体系的研发。

    Abstract

    Cermet materials that combine the strength of ceramic phases and the toughness of metallic phases are among the critical material categories for surface strengthening of steel drilling tool components, such as stabilizers and bearings. In recent years, deep drilling activities toward continental and oceanic crust have boomed, during which harsher working conditions involving high temperature, oxidation, and erosion have been typically encountered. In this regard, the strength-toughness properties and oxidation resistance of cermet materials must be further optimized to guarantee the service life of drilling tool components in deep drilling applications. Based on commercial cermet systems that require the addition of multi-carbides (e.g., WC and Mo2C) to enhance sinterability, in this study, two types of Ti(C,N)-based cermet samples incorporating TiC and TaC, namely Ti(C,N)-10%TiC-15%WC-8%Mo2C-9%Co-9%Ni and Ti(C,N)-10%TaC-15%WC-8%Mo2C-9%Co-9%Ni were prepared, following the powder metallurgical procedures comprised of ball milling, uniaxial pressing, and vacuum sintering. The phase compositions, mechanical properties, and oxidation behaviors of the as-sintered samples were examined using experimental and computational methods. The X-ray diffraction measurements revealed that both cermets consisted of (Ti,M)(C,N) (M=W,Mo,Ta) ceramic phase and (Co,Ni) binder phase, where the ceramic phase exhibited typical core-rim structures that could form in the Ti(C,N)-based cermets containing multi-carbides through the “dissolution–precipitation” process. The electron microscopic analyses further showed that in comparison to the TiC added cermet sample with its ceramic particle size typically ranging between 0.8 and 1.2 μm, the sample incorporating TaC possessed coarser ceramic particles (mostly in a range of 1.2-1.6 μm). According to the indentation fracture measurements conducted at 98 N, the cermet sample with TaC addition exhibited better hardness–toughness match (1463 HV10 and 11.7 MPa·m1 / 2), as compared with those of the TiC-added cermet sample (1471 HV10 and 10.8 MPa·m1 / 2). Based on the CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) method, the solid solubility of Ta in the binder phase was found to be lower than that of Ti, which could facilitate the growth of ceramic particles, thus contributing to the increased density and fracture toughness. The high-temperature oxidation tests were conducted at 800 ℃ for different durations (6 and 12 h), and the mass gains of the two cermet samples were measured. Lower mass gains were recorded for the TaC-added cermet sample, which corresponded to a ～37% enhancement in the oxidation resistance compared with the TiC-added cermet sample. The cross-sections of the oxidized samples were prepared and examined to rationalize the surface oxidational behavior of these two cermet samples. Both cermet samples exhibited oxidation stratification, where the outer oxide layers were enriched with Co, Ni, Mo, and W, and the inner oxide layers were rich in Ti and Ta. The thermodynamic calculations (i.e., the Ellingham diagrams) showed that both TiO2 and Ta2O5 possessed more negative Gibbs free energies of formation compared with other types of oxides (NiO, CoO, MoO3, and WO3), which suggested high propensities of TiO2 and Ta2O5 formation during the inception of high-temperature oxidation. In addition, the first-principles calculations performed in relevant research have suggested that upon exposure to high-temperature oxidation, Ta5+ might partially replace Ti4+ in the TiO2 layers, which could decrease the number of O vacancies and increase the diffusion coefficient of O in the oxide layers, thus benefiting the oxidation resistance of the cermet materials. Hence, the results demonstrated in the current study described the critical role of TaC addition in ameliorating the mechanical and oxidational properties of Ti(C,N)-based cermets containing multi-carbides. The underlying mechanisms were discussed using thermodynamic calculations, which could help guide the future development of cermet materials for deep-drilling applications.

    关键词

    金属陶瓷 ； TiC ； TaC ； 物相结构 ； 抗氧化性能

  • 0 前言

  • 我国深层油气资源丰富，但开采难度较大，目前石油、天然气对外依存度很高，深层油气的勘探开发是国家能源安全的重要保障[1]。深地钻探过程中，高温、氧化、冲蚀的苛刻环境导致钻探机具关键部件的服役寿命衰减。究其原因，轴承、扶正器等运动部件摩擦接触面上的 WC 基硬质合金材料力学、抗氧化、耐磨损等关键性能指标不足，材料在多因素耦合环境下的损伤失效加剧[2-5]。面向深地钻探材料轻量化需求，Ti（C，N）基金属陶瓷因密度低、热稳定性好、耐磨 / 耐蚀性强等优势，已展现出良好的工程应用前景[6-9]。

  • 近年来，以高熵合金、高熵陶瓷为代表的多组元材料在强韧、抗氧化等性能方面展现出良好的应用前景[10-11]。相较于单一碳化物构成的 WC 基硬质合金材料，Ti（C，N）基金属陶瓷体系中通常需要添加多种碳化物来改善其烧结性能，除了商用牌号中常见的 WC、Mo2C 之外，TaC 也是一种重要的添加剂。林福平等[12]研究了 TaC 对 Ti（C，N）基金属陶瓷的微观结构、力学性能和抗氧化性能的影响，结果表明适量的 TaC 添加能够细化晶粒，同时抑制金属陶瓷的表面氧化。此外，相较于六方碳化物，添加立方 TaC 后金属陶瓷微观组织更为粗大，可导致断裂韧性的提升和硬度的下降 [13]。 ZHAO 等 [14] 在 Ti（C，N）-TiB2-WC-Co 金属陶瓷体系中添加了 6wt.% 的 TaC，材料的硬度、断裂韧性和抗弯强度实现了协同提升，分别达到了 2 052 HV10、7.68 MPa·m 1 / 2 和 998 MPa。然而，KUMAR 等[15]在 Ti（C，N）-20wt.% Ni 金属陶瓷中添加 10wt.% TaC 后发现，材料的断裂韧性从 15.5 MPa·m 1 / 2下降到了 14 MPa·m 1 / 2，虽然硬度有所提升（从 9.9 GPa 到 12.5 GPa）。TiC 不仅是金属陶瓷的主要原料之一，也可作为添加剂使用。ZENG 等[16]的研究结果表明，TiC 加入 TiN 基金属陶瓷后可提升其力学性能。类似地，陈文琳等[17]在超细 Ti（C，N）基金属陶瓷中添加了 TiC，观察到了白芯-灰环结构的产生以及力学性能的提升。相关增强增韧的原因被解释为硬质相体积分数的增加以及裂纹偏转、桥接的作用[18]。

  • 综上所述，TaC 和 TiC 添加都能在一定程度上提高金属陶瓷的性能指标。其中，低含量的 TaC 添加能够实现硬度、韧性的协同提升，但总体提升幅度有限；高含量的 TaC 添加可以大幅提升金属陶瓷的硬度，但会导致断裂韧性的下降。而 TiC 改性 Ti（C，N）基金属陶瓷的研究目前仍相对匮乏，两种添加剂对材料结构、性能的作用仍缺乏深入认识。鉴于此，本文采用粉末冶金法分别制备了添加 TiC、 TaC 的 Ti（C，N）-WC-Mo2C-Ni-Co 金属陶瓷样品，并重点研究了 TiC、TaC 添加对 Ti（C，N）基金属陶瓷物相结构、力学性能和高温氧化行为的作用，以期为深地钻探用金属陶瓷材料研发提供有益的参考。

  • 1 研究方法

  • 1.1 样品制备

  • 本文采用粉末冶金方法制备了 TiC 和 TaC 添加的 Ti（C，N）基金属陶瓷样品，其名义成分（质量分数）如表1 所示。首先，将 Ti（C0.5，N0.5）（费氏粒度 2.1 μm）、TiC（粒度 1.9 μm）、TaC（粒度 0.9 μm）、Mo2C（粒度 1.9 μm）、WC（粒度 1.3 μm）、 Ni（粒度 2.7 μm）和 Co（粒度 1.2 μm）原料粉末按配比称取并倒入硬质合金球磨罐中，加入 3wt.% 的石蜡作为成型剂，并加入 40 mL 无水乙醇，用 XQM-0.4 行星球磨机球磨 6 h 制得混合粉体。将所得到的混合粉体经干燥、筛分后，在 160 MPa 的单轴压力下压制得到粉末压坯。随后，将压坯放入脱蜡烧结一体炉中，在 600℃氮气环境下脱蜡并在 1 000℃（30 min）、1 350℃（60 min）和 1 450℃（60 min）真空条件下进行烧结。烧结后的样品进行切割、研磨，并用金刚石抛光液进行抛光。

  • 表1 Ti（C，N）基金属陶瓷的名义成分（质量分数 / %）

  • Table1 Nominal compositions of Ti (C, N) -based cermets (wt.%)

  • 1.2 结构表征及性能测试

  • 金属陶瓷样品的显微组织和成分分布采用场发射扫描电子显微镜（SEM，FEI Quanta FEG 250）并结合 X 射线能谱仪（EDS）进行分析表征。利用 X 射线衍射仪（XRD，D8 ADVANCE DAVINCI）测定金属陶瓷样品的物相组成。XRD 图谱采用 MDI Jade 软件（Version6.5，Materials Data Ltd，USA）进行分析。利用 ZDMC6535 比饱和磁化强度测试仪（中国中达精密仪器有限公司）和 ZDHC30 矫顽力测试仪 （中国中达精密仪器有限公司）测定合金的比饱和磁化强度和矫顽力。高温氧化实验在 800℃条件下进行，氧化时间为 6 h 和 12 h，通过称重法测定样品的氧化增重，所报道数据为 3 次重复试验的平均值。

  • 1.3 热力学计算

  • 为了分析 Ti、Ta 元素在 Ti（C，N）基金属陶瓷中的固溶度差异以及表面氧化行为，采用相图计算 CALPHAD 方法，基于 PanNi2023 数据库并利用 Pandat 软件分别计算了 Ti-Ta-C-N 体系随 Ta 含量变化的垂直截面图，Co-Ni-Ti、Co-Ni-Ta 体系在 1 000℃的等温截面图，以及典型二元氧化物的生成吉布斯自由能随温度变化趋势图。CALPHAD 方法的核心源自吉布斯的热力学理论，即封闭体系总是向着能量最低的方向演变，并最终达到热力学稳定状态。该方法中的基本组成单位是相，不同的相都存在一个合理的吉布斯自由能表达式。恒压下，吉布斯自由能是温度和成分的函数。任一多组元溶体相的吉布斯自由能可以表达如下：

  • G=Gref+ΔGmixid+GE
    (1)

  • 式中， Gref 是纯组元对吉布斯自由能的贡献，是来自机械混合的贡献；ΔGmixid是理想混合熵对自由能的贡献； GE 是超额吉布斯自由能，这一项表明了溶液偏离理想溶液的程度。

  • 2 结果与讨论

  • 2.1 显微组织与物相结构

  • 图1a、1b 显示了添加等量 TiC 和 TaC 的两种 Ti（C，N）基金属陶瓷的显微结构图像。在电子背散射模式下，相的衬度取决于所含元素的相对原子质量。通过观察分析可以得出，Ti（C，N）基金属陶瓷微观组织以“黑芯-白内环-灰外环”和少量的“白芯-灰环” 为主要形态，其中黑芯为液相烧结过程中未完全溶解的Ti（C，N）/ TiC颗粒，白芯为未溶解的Mo2C / WC 或（Mo，W）C，白色内环相是由于初期固相烧结时 W、Mo 元素的饱和析出并与周围固相颗粒间发生扩散而形成的（Ti，M）（C，N）（M=W，Mo）相。在后期液相烧结过程中，由于发生奥斯瓦尔德熟化过程[19]，使固溶于粘结相中的金属元素含量达到饱和，最终在内环相的表面析出富 Ti、贫重元素的（Ti，M）（C，N）（M=W，Mo）外环相，以降低体系的表面能。与添加 TiC 样品（图1a）相比，添加 TaC 样品（图1b）中出现了许多“白芯-灰环”结构且伴随大量的灰色环相，其中白芯为未溶解的 TaC / Mo2C / WC 或（Ta，Mo，W）C，而灰环是经过 “溶解-析出”形成的富 Ti、贫重元素的（Ti，M）（C，N）（M=W，Mo，Ta）相。

  • 图1 添加（a）TiC 和（b）TaC 的 Ti（C，N）基金属陶瓷显微组织

  • Fig.1 Microstructures of Ti (C, N) -based cermets incorporating (a) TiC and (b) TaC

  • 图2 统计了添加 TiC（样品 A）和 TaC（样品 B） 的金属陶瓷硬质相颗粒尺寸分布情况。可以看出，二者的硬质相颗粒尺寸接近正态分布，其中样品 A 的尺寸主要分布在 0.8～1.2 μm 的区间内，而样品 B 的尺寸则主要分布在 1.2～1.6 μm 的区间内，由此可见，添加 TiC 的金属陶瓷硬质相颗粒尺寸小于添加等量 TaC 的金属陶瓷。

  • 图3 所示为添加 TiC（样品 A）和 TaC（样品 B） 的金属陶瓷 XRD 衍射图。可以看出，两种金属陶瓷样品均含有（Ti，M）（C，N）（M=W，Mo 或 W，Mo，Ta） 硬质相以及（Co，Ni）粘结相的衍射峰。通过对比各相的衍射峰位可以发现，样品 B 的（Ti，M）（C，N）和（Co，Ni）衍射峰均略微向右偏移，这可能是由于 Ti、 Ta 原子半径差异以及二者在金属陶瓷两相中的固溶度差异所导致的。

  • 图2 添加 TiC（样品 A）和 TaC（样品 B） 的 Ti（C，N）基金属陶瓷硬质相颗粒尺寸分布

  • Fig.2 Distributions of ceramic particle size in Ti (C, N) -based cermets incorporating TiC (Sample A) and TaC (Sample B)

  • 图3 添加 TiC（样品 A）和 TaC（样品 B）的 Ti（C，N）基金属陶瓷 XRD 图谱

  • Fig.3 XRD patterns of Ti (C, N) -based cermets incorporating TiC (Sample A) and TaC (Sample B)

  • 图4a 为 Ti-Ta-C-N 体系随 Ta 含量变化的垂直截面图。可以看出，Ta 在 Ti（C，N）中的最大固溶度超过 20 at.%，进一步考虑金属陶瓷体系元素的原子半径差异，即 Ti（1.45Å）＞Ta（1.43Å）＞W（1.37Å）＞ Mo（1.36Å）＞Ni（1.24Å）＞Co（1.16Å）＞C（0.77Å）＞ N（0.75Å）[20]，可以推断原子半径更小的 Ta 固溶进入 Ti（C，N）中导致（Ti，M）（C，N）硬质相的 XRD 衍射峰向右偏移。图4b 对比了 Co-Ni-Ta 与 Co-Ni-Ti 三元系在 1 000℃条件下的等温截面图。可以看出， Ti 和 Ta 在（Co，Ni）粘结相中均有较大的固溶度，且相较而言 Ti 的固溶度更大。因此，添加 TiC（样品 A）和 TaC（样品 B）金属陶瓷的（Co，Ni）相衍射峰均向左移，且样品 A 的左移幅度更大。由此可以进一步推断，Ta 在粘结相中相对较低的固溶度有利于加速“溶解-析出”过程，使添加 TaC（样品 B）的金属陶瓷硬质相颗粒尺寸更大（图2）。

  • 图4 Ti-Ta-C-N、Co-Ni-Ti、Co-Ni-Ta 体系热力学计算结果（a）Ti-Ta-C-N 体系随 Ta 含量变化的垂直截面图（b）Co-Ni-Ti 体系和 Co-Ni-Ta 体系在 1 000℃的等温截面图

  • Fig.4 Thermodynamic calculation results of Ti-Ta-C-N, Co-Ni-Ti, Co-Ni-Ta systems (a) Vertical section of Ti-Ta-C-N quaternary system with the increase of Ta content; (b) Isothermal sections of Co-Ni-Ti and Co-Ni-Ta ternary systems at 1 000℃

  • 2.2 物理性能与力学性能

  • 如表2 所示，添加 TiC 的金属陶瓷（样品 A） 的密度为 6.10 g / cm3，而添加 TaC 的金属陶瓷（样品 B）的密度更高（7.08 g / cm3）。在磁性能方面，样品 A 的相对磁饱和达到了 7.8%，而样品 B 只有 0.78%，说明 TaC 的添加能够降低金属陶瓷的磁饱和。同时，样品 A 的矫顽磁力为 12.56 kA / m，远高于样品 B（0.67 kA / m）。金属陶瓷的相对磁饱和与矫顽磁力参数可以一定程度上反映材料的成分和结构特征，在工业界应用较为广泛。相关研究表明，在 Co、Ni 含量相等的条件下，相对磁饱和的高低与碳含量呈正比，而矫顽磁力的大小与晶粒尺寸大小成反比[21-22]，本文中添加 TaC 的金属陶瓷平均晶粒尺寸大于添加 TiC 的金属陶瓷（图2），因此添加 TiC 的金属陶瓷矫顽磁力更大。

  • 在力学性能方面，如表2 所示，相较于添加 TiC 的金属陶瓷（样品 A），含 TaC 金属陶瓷（样品 B）的硬度稍低，而断裂韧性更好、强韧匹配更佳。这可能是由于 TaC 添加后金属陶瓷的硬质相平均晶粒尺寸稍大，因而硬度略有降低，而在裂纹拓展过程中，较大的硬质相颗粒尺寸促使裂纹偏转、桥接等过程，有利于金属陶瓷的韧性提升。

  • 表2 Ti（C，N）基金属陶瓷的物理性能与力学性能

  • Table2 Physical and mechanical properties of Ti (C, N) -based cermets

  • 2.3 抗氧化性能

  • 图5 为添加 TiC（样品 A）和 TaC（样品 B）的金属陶瓷在 800℃条件下氧化 6 h 和 12 h 后的单位面积氧化增重情况。可以看出相较于样品 A 的 12 h 氧化增重（5.6 mg / cm2），样品 B 的氧化增重为 3.5 mg / cm2，抗氧化性能提升约 37%。

  • 进一步分析样品 A 和样品 B 的氧化截面形貌，如图6 所示，可以看出样品 A 表面氧化层厚度约为 14.2 μm，而样品 B 表面氧化层厚度约为 10.7 μm。值得注意的是，样品 A 和样品 B 的氧化产物均出现了分层现象，即表层氧化物富 Co、 Ni、Mo、W 元素，而内层氧化物富 Ti（Ta）元素且厚度更大。根据 Ellingham 图（图7）可知，不同元素氧化物的生成吉布斯自由能差异是导致多元金属陶瓷表面氧化分层的原因之一，其中 Ti 和 Ta 的氧化物生成吉布斯自由能更负，因而在热力学上二者的生成趋势更为显著。同时，可以推断添加 TaC 后金属陶瓷表面形成的内层氧化物中，Ta 原子可以在一定程度上固溶于 TiO2，即部分 Ti4+被 Ta5+替代[23]，这是由于 Ta 和 Ti 具有类似的价态和原子半径。相关第一性原理计算结果[24] 表明，在 Ti24O48 超胞中将 1 个 Ti 原子替换为 Ta 原子，可导致 O 空位形成能增加约 18%；同时导致 O 原子的扩散系数降低约 70%（模拟 500℃条件下），由此降低了 O 空位浓度和 O 原子的扩散系数，有效地提升了 TiO2 氧化层对原子扩散的阻隔作用，因而 TaC 添加的金属陶瓷体系具有更好的抗氧化性能。

  • 图5 添加 TiC（样品 A）和 TaC（样品 B）的 Ti（C，N）基金属陶瓷在 800℃氧化 6 h 和 12 h 后的单位面积氧化增重

  • Fig.5 Mass gain per unit area measured on Ti (C, N) -based cermets incorporating TiC (Sample A) and TaC (Sample B) after oxidation at 800℃ for 6 h and 12 h

  • 图6（a）添加TiC和（b）TaC的Ti（C，N）基金属陶瓷在800℃ 氧化 12 h 后的截面形貌及元素分布

  • Fig.6 Cross-sectional morphologies and elemental distributions of Ti (C, N) -based cermets incorporating (a) TiC and (b) TaC after oxidation at 800℃ for 12 h

  • 图7 Ni，Co，Mo，W，Ta，Ti 的 Ellingham 图 （单位摩尔 O2条件下）

  • Fig.7 Ellingham diagram of Ni, Co, Mo, W, Ta, and Ti (per mole O2)

  • 3 结论

  • 本文采用理论计算和实验相结合的方式对比研究了添加TiC和TaC对多元多相Ti（C，N）基金属陶瓷物相结构、力学性能和抗氧化性能的作用机制，所得主要结论可以归纳如下：

  • （1）添加 TiC 和 TaC 的 Ti（C，N）基金属陶瓷均包含（Ti，M）（C，N）（M=W，Mo，Ta）硬质相和（Co，Ni）粘结相，其中含 TaC 金属陶瓷的硬质相颗粒尺寸更大，这是由于 Ta 在粘结相中的固溶度更低，因而通过 “溶解-析出”促进了硬质相的生长；

  • （2）相较于添加 TiC 的金属陶瓷，含 TaC 金属陶瓷的硬度下降约 0.5%，而断裂韧性提升约 8%，强韧匹配更好，这可能得益于硬质相颗粒长大带来的增韧作用；

  • （3）相较于添加 TiC 的金属陶瓷，含 TaC 金属陶瓷的抗氧化性能提升约 37%，这是由于 TiO2 氧化层中部分 Ti4+被 Ta5+替代，导致 O 空位浓度和 O 原子的扩散系数降低，TiO2 层的表面防护作用增强。

  • 由此，本文初步阐明了 TaC 添加对多碳化物 Ti（C，N）基金属陶瓷结构、力学性能和抗氧化性能的提升作用及其热力学机制，可为钻探用高性能金属陶瓷材料研发提供有益借鉴。

  • 参考文献

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  • 基本信息

    中图分类号: TG156；TB114
    DOI: 10.11933/j.issn.1007-9289.20231230002

    基金信息

    中国科学院战略性先导科技专项（XDB0470103）；
    宁波市自然科学基金（2023J338）；
    宁波市 3315 创新团队（2019A-18-C）；
    Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDB0470103)；
    Ningbo Natural Science Foundation (2023J338)；
    Ningbo 3315 Innovation Team (2019A-18-C)；

    引用信息

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    稿件历史

    收稿日期: 2023-12-30
    录用日期: 2024-10-12

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