高性能三元硼化物基金属陶瓷制备技术的研究

论文摘要

本论文采用热分析（DSC）、X射线衍射分析（XRD）、扫描电镜（SEM）、X射线能谱（EDS）、透射电镜（TEM）等实验手段系统地研究了Mo2FeB2基金属陶瓷的成分、制备工艺、组织结构和性能等之间的关系。本文综述了近二十年来Mo2FeB2基金属陶瓷的发展概况和研究进展。总结了金属陶瓷的制备技术;简述了成分及添加剂对Mo2FeB2基金属陶瓷组织和性能的影响;总结了Mo2FeB2基金属陶瓷烧结过程中物理化学变化等方面的研究成果;简述了晶粒长大抑制剂在细晶粒金属陶瓷中的研究进展。并在此基础上指出了本文的研究目的和意义。研究了化学成分对Mo2FeB2基金属陶瓷组织和性能的影响,得出如下实验结论:Cr添加量为2.4wt %时,Cr固溶入硬质相生成正方晶系（Mo, Fe, Cr）3B2固溶体,晶粒向球形转化,材料具有较佳的微观组织和较好的强韧性;当Mo/B原子比为0.92时,晶粒细小,硬质相在粘结相中分布比较均匀,金属陶瓷中的Fe2B含量较合适,材料力学性能最佳;Mn添加量为2.5wt%时, Mn降低了液相形成温度,提高了液相对固相的润湿性进而增强两相的结合,从而获得组织致密力学性能良好的Mo2FeB2基金属陶瓷。研究了用FeMo合金部分代替Mo和Fe制备的低成本金属陶瓷在烧结过程中组织、结构和性能的变化规律,结果表明:Mo2FeB2是在固相烧结阶段通过原位反应生成;液相L1和L2分别在1091℃和1135℃时出现;随着烧结温度的逐渐升高,金属陶瓷的组织逐渐变得均匀,硬质相通过溶解-析出机制逐渐长大;温度过高时,晶粒明显长大。研究了稀土元素对金属陶瓷组织和性能的影响。结果表明:适量的稀土细化晶粒的作用比较明显,稀土元素在金属陶瓷中富集在Mo2FeB2和Fe的相界处,抑制了溶解-析出过程的进行,最终阻止了Mo2FeB2基金属陶瓷烧结过程中晶粒的长大。根据固体与分子经验电子理论（EET理论）对（Mo, Fe, Mn）3B2固溶体进行定量分析。通过键距差（BLD）方法计算了Mn对Mo2FeB2晶体价电子结构的影响。结果表明:Fe-B键最强,其共价电子数nB= 0.51776。沿[001]方向分布的Fe-Fe键较弱,其共价电子数nI= 0.186264;其最强键nA值可作为硬度高低的比较指标;Σnα可用来比较其塑性的相对高低;Mn溶入Mo2FeB2,使其塑性增加。Mn可以使金属陶瓷的硬质相得以增韧,因而对于Mo2FeB2基金属陶瓷,Mn是一种重要的添加剂。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属陶瓷制备技术的发展概况
• 1.2.1 粉末的制备方法
• 1.2.2 混料
• 1.2.3 成型方法
• 1.2.4 烧结
• 1.2.5 后处理
• 1.3 三元硼化物基金属陶瓷研究进展
• 2FeB₂ 晶体结构'>1.3.1 Mo₂FeB₂晶体结构
• 2FeB₂ 基金属陶瓷'>1.3.2 原位反应烧结制备Mo₂FeB₂基金属陶瓷
• 1.3.3 三元硼化物基金属陶瓷制备工艺研究
• 1.4 三元硼化物基金属陶瓷覆层材料的研究
• 1.5 三元硼化物基金属陶瓷合金化
• 1.5.1 Mo/B 原子比的影响
• 1.5.2 Cr 的作用
• 1.5.3 C 的影响
• 1.5.4 Ni 的作用
• 1.6 晶粒长大抑制剂在金属陶瓷的作用
• 1.7 本文的研究目的
• 1.8 本文的技术路线
• 第二章 试验材料的成分设计及制备工艺
• 2.1 引言
• 2FeB₂ 基金属陶瓷成分设计的总体原则'>2.2 Mo₂FeB₂基金属陶瓷成分设计的总体原则
• 2.2.1 主要组分相对比例的确定
• 2.2.2 添加剂的加入原则
• 2.3 实验成分设计
• 2.4 粉末的原始条件
• 2FeB₂ 基金属陶瓷的制备技术'>2.5 Mo₂FeB₂基金属陶瓷的制备技术
• 2.5.1 混料
• 2.5.2 干燥
• 2.5.3 成型
• 2.5.4 烧结
• 第三章 化学成分对金属陶瓷组织和性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 试验方法
• 3.3 铬含量对金属陶瓷性能和组织的影响
• 3.3.1 Cr 含量对力学性能的影响
• 3.3.2 Cr 含量对组织的影响
• 3.4 Mo/B 原子比对金属陶瓷性能和组织的影响
• 3.4.1 Mo/B 原子比对力学性能的影响
• 3.4.2 Mo/B 原子比对相组成的影响
• 3.4.3 Mo/B 原子比对组织的影响
• 3.4.4 断口分析
• 3.5 Mn 对金属陶瓷组织和性能的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 金属陶瓷低成本制备技术
• 4.1 引言
• 4.2 试验方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 差示扫描量热分析
• 4.2.3 物相分析
• 4.2.4 组织观察及成分分析
• 2FeB₂ 基金属陶瓷烧结过程中的主要相变'>4.3 Mo₂FeB₂基金属陶瓷烧结过程中的主要相变
• 4.4 烧结过程中组织和性能的变化
• 4.4.1 力学性能
• 4.4.2 收缩特性
• 4.4.3 显微组织
• 4.5 本章小结
• 第五章 稀土元素在金属陶瓷中的作用
• 5.1 引言
• 5.2 试验方法
• 5.3 稀土元素的加入量对金属陶瓷组织与性能的影响
• 5.3.1 稀土的添加量对力学性能的影响
• 5.3.2 稀土的添加量对相组成的影响
• 5.3.3 稀土的添加量对显微组织的影响
• 5.4 稀土元素对金属陶瓷的影响机理
• 5.5 本章小结
• 第六章 金属陶瓷主要相的价电子结构及性能
• 6.1 引言
• 2FeB₂ 基金属陶瓷TEM 观察'>6.2 Mo₂FeB₂ 基金属陶瓷TEM 观察
• 6.2.1 试验方法
• 6.2.2 试验结果与分析
• 6.3 固体与分子经验电子理论的概述
• 2FeB₂ 价电子结构的计算'>6.4 Mo₂FeB₂价电子结构的计算
• 2FeB₂ 的晶体结构、实验键距和等同键数'>6.4.1 Mo₂FeB₂的晶体结构、实验键距和等同键数
• 6.4.2 基本理论
• 6.4.3 计算结果
• 2FeB₂ 价电子结构与力学性能之间的关系'>6.5 Mo₂FeB₂价电子结构与力学性能之间的关系
• 6.5.1 硬度
• 6.5.2 Mn 对塑性的影响
• 6.5.3 耐腐蚀性
• 6.6 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 本文的创新之处
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文