原位TiCp／Fe复合材料的制备工艺优化

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原位自生TiC和(TiW)C增强Fe基复合材料的研究

原位自生TiC和(TiW)C增强Fe基复合材料的研究索忠源;邱克强;胡亚伦【期刊名称】《辽宁工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2003(023)004【摘要】利用块体原材料原位合成10 vol%TiC-Fe 和 (TiW)C-Fe 两种复合材料,采用扫描电镜分析了复合材料的微观结构,利用X射线分析了相组成.结果表明,在TiC-Fe复合材料中,TiC作为唯一的第二相呈现粒状和条状两种形态.分析认为,粒状相为亚共晶相,而条状第二相为共晶相.通过用W替代部分Ti,成功地制备了10 vol% (TiW)C-Fe复合材料,其中,(TiW)C作为唯一的第二相比较均匀地分布在Fe基体中,其形态大部分呈粒状,条状相较少.在粒状(TiW)C相中,中心富Fe,而边缘W、Ti和C元素的分布是均匀的.与TiC相比,(TiW)C的密度与Fe更为接近,它更适合作为大型铸件的增强相.【总页数】5页(P37-41)【作者】索忠源;邱克强;胡亚伦【作者单位】辽宁工学院,材料与化学工程学院,辽宁,锦州,121001;辽宁工学院,材料与化学工程学院,辽宁,锦州,121001;大连职业技术学院,辽宁,大连,116031【正文语种】中文【中图分类】TG113【相关文献】1.原位自生20%TiC/Fe和20%(TiW)C/Fe复合材料的组织与性能 [J], 任英磊;付立铭;邱克强;姜文辉2.原位自生TiC和(Ti,W)C增强Fe基复合材料的研究 [J], 潘卫东;任英磊;才庆魁;邱克强3.Ti2SnC原位自生TiC0.5增强Cu基复合材料的制备及压缩特性 [J], 黄振莺;王雅正;郝素明;蔡乐平;翟洪祥4.原位复合TiC和(TiW)C增强Fe基复合材料 [J], 潘卫东;任英磊;邱克强;才庆魁5.原位自生TiC颗粒增强金属基复合材料涂层的组织与性能 [J], 王振廷;陈华辉;孙俭峰;孟君晟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

原位合成TiCFe表面梯度复合材料的研究

原位合成TiC/Fe表面梯度复合材料的研究摘要在机械、冶金、矿山开采、油气钻探等重工业领域，存在严重的设备磨损问题，这就要求机械零部件能够承受剧烈冲击、抗腐蚀、抗磨损。

因此，能够采取一定的方法，在易磨损部件的表面生成一种或几种具有高硬度、高耐磨性的增强颗粒，已成为这些领域增强零部件、延长零件使用寿命的重要途径。

陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料能够将陶瓷材料和钢铁材料的优点融为一体，是耐磨材料、摩擦材料、高温合金及工具材料的理想应用对象。

原位反应技术利用热力学平衡原理在基体表面直接生成颗粒或片状增强体，从而比较好地解决了人工复合法中增强体与基体润湿困难、界面反应严重的问题；而且生成的增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高等优点，已成为是当前金属基复合材料研究领域的一个热点。

通过热力学计算和Fe-Ti-C相图分析，研究了原位生成TiC颗粒的生成条件及其长大机制；利用差热分析(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、点能谱（EDS）等测试手段对Fe-Ti-C体系的反应动力学过程、显微组织结构、显微硬度及磨损性能进行了系统深入的研究。

研究结果表明：采取铸渗-热处理工艺，在基体表面原位生成工艺制备TiC/Fe基表面梯度复合材料是可行的；生成的TiC硬质相，均匀分布于基体表面，并且其硬质相颗粒形貌逐渐趋近于四方状或球状，平均粒度在为2-5μm，并且与铁基体结合良好。

热力学计算结果表明：通过在1138℃温度下的热处理工艺在基体表面原位生成TiC，该反应为：Ti+C=TiC，该反应能够自发进行。

动力学分析结果表明，Ti-C反应受动力学过程控制，C的扩散速度影响该反应的快慢程度。

TiC颗粒的长大机制表明：当Ti、C原子浓度高时可生成稳定的TiC 晶核；当Ti、C原子浓度降低时生成的TiC不能以稳定晶核的形式存在，只能在已生成的晶核上按照TiC晶体的优先生长方向堆积、长大。

TiC颗粒按照小颗粒不断溶解，大颗粒相应粗化的模式长大，同时碳的浓度在一定程度上也影响了碳化钛颗粒的生长。

原位TiCp／Fe复合材料的切削力及切屑形状

（ｃａｉａｎｉｅｒｇＣｏｌｇ，ＧａｇｉＵｉｅｓｔ，ｎｉｇ３０４ＣｉａＭｅｈｎｃｌｇｎｅｎｌｅｕｎｘｎｖｒｉＮａｎｎ５００，ｈｎ）Ｅｉｅｙ
ＡｂｔａｔＴｅｃｔｎ — ｃｉａｉｔｆｔｅａ — ｎｅｌｄＴＣ／ｎ— ｉｏｏｉｓａａｙｅｎｒｓｅｔｏｕｔｇｆｒｅｓｒｃ：ｈｕｔｇ— ｉｍａｈｎｂｌｙｏｈｓ－ｎａｅｉｐＦｅｉ－ｔｃｍｐｓｅｗａｎｌｚｄｉｅｐｃｆｃｔｎｏｃｉａｓｕｔｉ
维普资讯
丁路芬，苏广才
（广西大学机械工程学院，广西南宁５００）３０４
摘要：从退火态原位ＴＣ／ｅ复合材料的切削力和切屑形状方面分析了其切削性能。ｉｐＦ研究结果表明其切削力及切削力的波动范围都小于铸态４５钢，其切削性能比４５钢好。ｉｐＦ复合材料的切屑为Ｃ形屑、ＴＣ／ｅ长紧卷屑和发条状卷屑，在机加工中，产生这几种切屑是比较理想的。从切屑方面看，ｉｐＦ复合材料的切削性能较好。ＴＣ／ｅ
关键词：切削力；切削性能；切屑；碳化钛中图分类号：Ｇ１３６Ｔ．＋１２４文献标识码：Ａ文章编号：０３８４（０７０ —０１０１０ — ３５２０）５０８ — ４
ＣｕｔｎｏｃｎｉｈｐｆＴｉ／ｅＩＳｔｍｐｓｔｔｇＦｒｅａｄＣｈｐＳａｅｏＣｐＦｎ— ｉＣｏｏｉｅｉｕＤＩｕｆｎＳａｇｃｉＮＧＬ－ｅ，ＵＧｕｎ — ａ

原位颗粒增强钛基复合材料的制备与性能研究

摘要原位颗粒增强钛基复合材料的制备与性能研究摘要钛基复合材料由于具有高比强度、比模量，且具有比钛合金更优异的高温抗蠕变性能、抗氧化性能及高的热稳定性和热疲劳强度等，成为航空航天领域最具发展潜力的结构材料之一。

通过原位合成法制备钛基复合材料，具有增强体与基体界面清洁、结合性好，且热力学稳定性高等突出优点，近年来已成为研究的热点。

复合材料中增强体的尺寸和形貌特征，及其在基体中的分布特点等对复合材料的性能有很大的影响，因此研究原位颗粒增强相的形成机理及其对复合材料性能的影响机制，对高性能原位颗粒增强钛基复合材料的开发和应用具有重要意义。

本研究以具有优良的热加工性、抗氧化性和高耐磨性的钛基复合材料为目标，采用粉末冶金原位合成法制备钛基复合材料，以Ti-7Al合金（α-钛合金）为钛基复合材料的基体，通过粉末高能球磨与反应热压烧结工艺相结合的方法，制备Ti-7Al-B(TiB/Ti)及Ti-7Al-B-C (TiB+TiC/Ti) 颗粒增强钛基复合材料。

在原位颗粒增强相的形成、高温压缩流变机制、高温氧化及摩擦磨损理论基础上，设计开发低成本、高性能钛基复合材料，为其工业应用奠定理论和工艺基础。

本文的研究主要包括以下几个方面：（1）研究了粉末高能球磨及反应热压烧结工艺，成功制备了晶粒细小的原位自生颗粒增强钛基复合材料。

采用粉末原位反应法，利用高能球磨加热压烧结工艺成功制备了近全致密的TiB/Ti及(TiB+TiC)/Ti颗粒增强钛基复合材料，获得晶粒细小的基体组织及颗粒增强相。

其微观组织分析表明，颗粒增强相与基体界面清洁、结合性好，在基体中弥散分布。

高能球磨使Ti、Al、B（C）粉末细化，并实现了组元间的固溶及部分机械合金化，因而获得的烧结组织晶粒细小，TiB/Ti复合材料中TiB增强相的直径尺寸均在1μm以下。

(TiB+TiC)/Ti复合材料烧结前粉末在高能球磨作用下形成了无定形结构，烧结过程中原子的有序化过程阻碍了增强相的长大，形成了平均直径小于100nm的纳米级TiB晶须和平均直径约2μm的等轴状TiC颗粒。

低成本制备TiCN粉及复合粉的工艺优化

低成本制备TiCN粉及复合粉的工艺优化本文结合我国资源特点,选择我国储量丰富的攀枝花生产的钛铁矿(FeTiO_3)作为原料,在碳热还原法原有工作基础上对采用碳热还原法直接制备低成本Ti(C,N)粉及复合粉的工艺进行优化,为获得更稳定、更适合大批量生产的工艺参数提供依据,为该技术的产业化生产打下基础。

通过综合热分析、粒度分析、X-射线衍射分析、扫描电镜等分析方法,重点研究了原料配比、球磨工艺、反应温度和保温时间对还原产物Ti(C,N)的影响,优选出合理的工艺参数,并对有关结果进行了讨论。

研究结果表明:采用高能球磨混料工艺可以显著降低碳热还原反应的温度,明显加快反应速度,提高还原程度。

球磨时间越长,还原程度越高,但球磨时间过长,会导致工艺成本增加,适宜的球磨混料时间为2~6h。

配碳量越高,反应速度越快,还原程度越高。

但配碳量过高,会导致还原产物中游离碳含量高;配碳量过低,会导致钛的中间氧化物还原不完全。

适宜的原料配比为FeTiO_3∶C =1∶3.25~3.5(摩尔)。

反应温度越高,反应速度越快,还原程度越高;但反应温度过高时,还原产物不易分散;反应温度过低,还原产物中会有大量的中间反应产物TiO_2、Ti_3O_5存在。

碳热还原钛铁矿制备Ti(C,N)复合粉的适宜反应温度为1300℃~ 1400℃。

通过控制一定的工艺参数,可以获得理想的Ti(C,N)复合粉体并完全避免还原产物中中间氧化物和游离碳的存在。

保温时间对反应的转化速率和TiC_(1-x)N_x组成有较大的影响。

随着保温时间的延长,还原产物中的游离碳衍射峰和中间氧化物Ti_3O_5峰逐渐减小,合适的保温时间为2~6h。

【关键词相关文档搜索】：材料科学与工程; 钛铁矿; 碳氮化钛; 碳热还原; 球磨【作者相关信息搜索】：重庆大学;材料科学与工程;汤爱涛;张龙柱;。

复合材料制造过程的工艺优化

复合材料制造过程的工艺优化复合材料是一种由两种或更多材料组成的材料，结合了不同材料的优点，具有优异的性能和广泛的应用领域。

然而，复合材料的制造过程涉及多个工艺环节，如预浸料制备、层叠、固化等，每个环节都直接影响着成品的质量和性能。

因此，对复合材料制造过程的工艺进行优化，可以提高产品的质量、降低成本、提高生产效率。

本文将从材料选择、预浸料制备、层叠、固化四个层面探讨复合材料制造过程的工艺优化方法。

一、材料选择在复合材料制造过程中，材料选择是决定产品性能的重要因素之一。

首先，要根据产品的需求确定复合材料的基体材料和增强材料的种类和品种。

不同材料的特点和性能各异，选择合适的材料组合可以有效提升产品的强度、刚度、硬度等性能。

其次，应合理搭配基体材料和增强材料的比例和密度，以获得理想的复合材料性能。

最后，还需要考虑材料的质量和成本，选择质量稳定、价格合理的材料，以保证产品的可靠性和经济性。

二、预浸料制备预浸料是复合材料的重要组成部分，其质量对最终制品的质量和性能有重要影响。

因此，预浸料的制备过程需要进行工艺优化。

首先，应根据材料选择确定合适的树脂体系，并进行比例和配制方法的优化。

同时，要注重树脂对纤维增强材料的浸润效果，确保树脂能充分填充和固化在纤维增强材料中，提高复合材料的强度和耐磨性。

此外，应注意控制预浸料的储存和使用条件，避免树脂老化和受潮，以确保预浸料的质量和稳定性。

三、层叠层叠是将纤维增强材料和树脂预浸料按照一定顺序和方法组装在一起，形成复合材料的过程。

在层叠过程中，要注意纤维的排列和分布，以及层间树脂的均匀性。

首先，要优化纤维的层叠方式，合理安排纤维的方向和布局，以最大限度地发挥增强材料的性能。

其次，还应注意纤维与纤维之间的间隙和层间树脂的渗透情况，确保复合材料的均匀性和一致性。

此外，对于复杂形状的产品，还应考虑合适的模具设计和加工工艺，以确保产品的精度和一致性。

四、固化固化是复合材料制造过程中最后一个环节，其质量直接决定了成品的性能和质量。

论文实例：原位合成钛基复合材料的制备、微结构及力学性能

论文实例：原位合成钛基复合材料的制备、微结构及力学性能论文实例：原位合成钛基复合材料的制备、微结构及力学性能作者简介：吕维洁，男，1973年02月出生，1997年04月师从于上海交通大学张荻教授，于20xx年11月获博士学位。

摘要面对高技术时代对高性能钛合金材料日益紧迫的要求，非连续增强钛基复合材料因其具有的高比强、高比刚度、耐高温和耐蚀性能已成为研究的热点。

人们对其制备工艺、微结构、力学性能等进行了一系列的研究，而这些研究的主要目标为外加法制备的钛基复合材料。

而本研究则采用原位合成工艺制备非连续增强的钛基复合材料。

与外加法比较，原位合成法因其工艺简单、材料性能优异，在技术和经济上更为可行。

增强体的原位合成，避免了增强体的污染问题，也避免了熔铸过程中存在的润湿性问题，有利于制备性能更好的复合材料。

然而，为了低成本高效制备高性能的钛基复合材料尚有许多问题需要解决。

因此，从理论和实验上研究这些问题，对低成本高效制备高性能的钛基复合材料具有非常重要的理论和实际意义。

针对金属基复合材料发展应用中的关键问题??成本和性能，本文开发设计了新型的钛基复合材料的制备工艺，可以低成本高效制备性能优异的钛基复合材料。

即可利用钛与碳化硼、硼及石墨之间的自蔓燃高温合成反应，采用普通的钛合金冶炼工艺制备出单纯TiB晶须、单纯TiC颗粒增强或TiB晶须和TiC粒子混杂增强的钛基复合材料。

为了拓展钛基复合材料的应用领域，为制备高性能的钛基复合材料打下坚实的基础，本文的研究主要包括以下几个方面工作：1、研究了利用钛与石墨、硼及碳化硼之间的反应制备TiB和TiC增强钛基复合材料的原位合成机理。

利用热力学理论计算了钛与石墨、硼、碳化硼反应的Gi自由能DG和反应生成焓DH，结果表明：各个反应的Gi自由能DG值都为负值，说明在热力学上上述反应是可行的。

虽然在热力学上可以利用钛与碳化硼之间的化学反应合成TiB2和TiC增强体，但从化学平衡考虑，TiB2不能稳定存在于过量钛中，因此能够稳定存在于普通钛合金中的增强体为TiB和TiC。

原位金属基复合材料的合成与制备

原位金属基复合材料的合成与制备摘要：金属基复合材料(MMCs), 由于融合了金属与陶瓷的特性，因此既具有优异的力学性能，又具有导电、导热、耐磨损、不吸湿、不放气、尺寸稳定、不老化等一系列金属特性，是一种优良的结构材料。

常规的MMCs的制造方法有DIMOX TM直接氧化法、PRIMEM TM法、DX TM法和共晶自生法。

关键词:合成，制备，DIMOX TM直接氧化法，PRIMEM TM法，DX TM法，共晶自生法1.前言原位复合材料制备技术的基本思想是依靠合金设计，通过合金内部反应生成增强体。

由于原位生成的增强体表面未受污染，且避免了与基体浸润不良的问题，因而与基体的结合良好。

较之陶瓷颗粒或晶须表面处理后再与基体结合的传统工艺，在相同的增强体百分含量情况下，可得到更高的强度和弹性模量，同时能得到较好的韧性。

根据热力学基本原理，好的合金设计应使生成增强体反应的吉布斯自由能变化为绝对值较大的负值，并使有害相的生成反应吉布斯自由能变化为绝对值较小的负值，且最好为正值。

这就要求首先从理论上解决在反应合金体设计方面有益增强体相能够形成、有害相不能形成的问题。

常规的金属基复合材料的制造方法有粉末冶金法、铸造法和共喷法。

①粉末冶金法是制造颗粒增强金属基复合材料的主要方法之一，粉末冶金法制备过程如图3所示。

其中压实过程包括冷压、除气、热等静压或真空热压等过程，经压实后的毛坯复合材料通常能达到98%的理论密度。

然后再采用二次加工方法优化力学性能。

该法制成的MMCs具有颗粒均匀、成型能力好、力学性能较高的点，但制备成本高。

②铸造法又可分为复合铸造法、压铸法、压力浸渍法和真空压力浸渍法等，其中真空压力浸渍法制造的MMCs力学性能较好，且制备过程也较科学合理。

③共喷法的实验装置示意图见图 4 。

共喷或喷射沉积法是使增强体粉末与液态金属短时间接触即凝固成固体复合材料的方法，这种工艺方法可避免基体和增强体的剧烈反应，且基体的选择范围也比较大。

原位TiC颗粒增强灰铸铁复合材料的组织及其摩擦磨损性能

原位TiC颗粒增强灰铸铁复合材料的组织及其摩擦磨损性能摘要本文通过原位合成TiC颗粒增强的灰铸铁复合材料，并研究了其组织结构和摩擦磨损性能。

采用冶金学原位反应法，将碳化钛颗粒均匀分散到灰铸铁基体中，并通过扫描电子显微镜观察了复合材料的微观结构。

实验结果表明，添加TiC颗粒后，复合材料的硬度和抗磨损性能得到了显著提高。

摩擦磨损实验表明，在不同加载力和滑动速度下，添加TiC颗粒的复合材料均表现出较低的摩擦系数和磨损率。

进一步分析揭示了TiC颗粒在复合材料中的增强机制。

本研究为开发高性能灰铸铁复合材料提供了理论依据。

关键词：原位合成；TiC颗粒；灰铸铁；摩擦磨损性能；组织结构引言灰铸铁作为一种常用的工程材料，具有优良的耐磨性和耐热性能，但在某些特殊应用环境下的摩擦磨损性能仍然有待改善。

为了进一步提升灰铸铁的性能，研究人员通过添加强化相，如碳化物颗粒，来改善其综合性能。

在此背景下，原位合成技术成为一种非常有效的方法，可以将强化相均匀地分散到灰铸铁基体中。

实验方法在本研究中，采用冶金学原位反应法，将碳化钛（TiC）颗粒原位合成到灰铸铁基体中。

首先，在高温下，将铁碳合金和钛粉反应生成TiC颗粒，并通过机械合金化方法将其均匀分散到灰铸铁基体中。

通过调节反应条件，得到不同颗粒尺寸的增强颗粒。

利用扫描电子显微镜（SEM）对合成的灰铸铁复合材料进行观察和表征，分析其微观组织结构。

结果与讨论实验结果表明，添加TiC颗粒后，灰铸铁复合材料的硬度得到了明显提高。

这是由于TiC颗粒的高硬度和均匀分散，有效阻碍了灰铸铁基体的塑性变形。

此外，添加TiC颗粒后，复合材料的抗磨损性能也得到了显著提升。

在摩擦磨损实验中，添加TiC颗粒的复合材料表现出较低的摩擦系数和磨损率。

这是由于TiC颗粒可以形成硬度更高的表面层，有效降低了复合材料的摩擦和磨损。

进一步的分析揭示了TiC颗粒在复合材料中的增强机制。

首先，TiC颗粒的分散强化作用可以增加复合材料的强度和硬度，提高其耐磨性能。

原位生成TiCpFe表面梯度复合材料组织及形成机理研究

下半月出版Ma te ri al&H e at Treatment|材料热处理技术原位生成TiCP／Fe表面梯度复合材料组织及形成机理研究王亮亮，许云华，钟黎声，魏忠斌(西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安710055)摘要：利用铸造一热处理工艺原位反应生成了Ti C颗粒增强铁基表面梯度复合材料，对该复合材料的组织进行了研究，并深刻剖析了该复合材料组织的形成机理。

结果表明：原位合成的TiC增强表面梯度复合材料大致分为三层；每层之间最大的区别是生成的TiC颗粒的大小及形状不同。

远离基体侧的反应层接近于大块状的TiC，显然是颗粒基本上没有扩散：反应层与基体结合界面良好、无间隙，结合层Ti C颗粒平均大小为2～4 p．m。

因此，各梯度层Ti C颗粒的大小决定了此种复合材料的不同层具有不同的硬度、冲击性能、抗拉强度和耐磨性等。

关键词：原位反应；碳化钛；梯度复合材料中图分类号：T B33l文献标识码：A文章编号：1001．3814(2012)04．0099-04Rese ar ch on Microstructure and Formation Mechanism of Ti C P ar ti cl esRe i n fo r ce d I r o n Matrix Surface Gradient Composite by h—situ Technology Ⅵ，ANG Lia ngliang，XU Yunhua，ZHONG Lishen g，、ⅣE I Zhongbin (Colleg e ofEl ec tr i ca l an d Mec han ica l E n gi ne e ri ng，X i’an U n iv er s it y ofArchitecture&Technology，Xi’an710055，China) Abstract：The in-situ T iC particles r e i nf o r c ed iron ma t r i x s u rf a c e g r ad i e n t c o mp o s i t e w a s p r e p a re d b y casting and heat i ng p r o c e s s in g．T h e m i c r o s t r u c t u r e o f the composite was researched，and the formation me ch a ni sm of the m i c r os t r u c tu r e o f t he compo site wa s anal yzed deep ly．The results show that the TiC reinforced surface gradient composite in-situ s y n th e s i ze d isd i v i de d into three l ay e r s．Th e largest d if fe r e n c es b et w e e n each layer a le the different size and shap e o f Ti C p ar t ic l es．T he re a ct io n layer far aw ay fr o m iron matrix is ne a r l y the block titanium carbon．Apparently,the particles don't main ly hav e diffused．The interfac e is beRe r betwe en rea ction layer and mat rix，and n o gap．The ave rage size of titanium carbon ofc om b i ned layer particles is 2～4仙m．Conse quent ly，the different size between the ti ta n i u m c ar b o nparticles in e v e r yg ra d i e n t layers decid ed that the c omp osi te in different layers has different h a rd n e s s，i m p a c t toughness，tenacity intensity,wearresistant，and S O o n．Key words：in—situ synth esi zed；T iC；gr adi ent composite随着金属基复合材料的研究日臻成熟，很多研在提高机械零件表面耐磨性方面较其他碳化物效果究已趋近于体系化，相比于整体复合材料成本高的更佳，从而在一定程度上可提高零件的使用寿命，并问题．表面复合材料的低成本、使用性能好等优点已降低过度摩擦磨损带来的经济损失㈣。

钛铁矿原位碳热还原合成TiC_Fe复合材料的研究

第29卷第3期硅酸盐学报Vol.29,No.3 2001年6月JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Ju n e,2001钛铁矿原位碳热还原合成TiC/Fe复合材料的研究邹正光,陈寒元,麦立强(桂林工学院材料工程系,广西桂林541004)摘要:以天然矿物钛铁矿(FeTiO3)、C(石墨)为原料,采用原位碳热还原法,实现合成与烧结一体化,真空烧结制备TiC/Fe复合材料,探索了一条低成本合成高性能TiC/Fe复合材料的新途径.对反应的热力学过程进行理论分析和实验研究,分析了产物的结构、组织和性能.研究表明:反应产物主要存在两相,即TiC相和Fe的固溶相,球形的TiC颗粒相被包围在网状结构的Fe及Fe合金粘结相中,TiC颗粒尺寸均匀,大小约2~5L m.M o的加入可以改善金属相对TiC的润湿性.产物中有少量游离碳存在.关键词:钛铁矿;原位合成;碳热还原;碳化钛-铁复合材料;热力学过程中国分类号:T F12文献标识码:A文章编号:0454-5648(2001)03-0199-05RESEARC H ON TiC/Fe C OMPOSITE BY IN_SITU CARBOTHERMICREDUC TION AND SYNTHESIS FROM ILMENITEZou Zhengguang,Chen H any uan,M ai L iq iang(Department of M aterial Eng ineering,Guilin Institute of T echnolo gy,Guilin,Guangx i541004)Abstract:T he main pur pose of the study is to explore a new method to synt hesize advanced T iC/Fe composites w ith relatively low cost.T iC/F e composite w as produced by in_situ carbot hermic reduction and synthesis method from ilmenite,the main raw material. Synthesis and sinter ing were accomplished unitedly in vacuum r esistance fur nace.T he w hole thermodynamics process was analyzed both in theory and by ex periment.T he composition,microstructur e and properties of the products were also ex amined.T he results show that cermet mainly consists of T iC particles and Fe-binder.Spheroidal T iC particles have a nar row size distribution(about 2~5L m)and are enveloped by cont inuous Fe-binder phase.Adding M o can improv e the inter facial bonding between the metal phase and T iC.Some r esidual carbon is found ex isting in the reaction product.Key words:ilmenite;in_situ synthesis;carbot hermic reduction;titanium carbon and iron composite;thermodynamics process复合材料的研究与开发越来越受到世界各国的重视.陶瓷-金属复合材料便是复合材料的典型代表之一.陶瓷-金属复合材料是由一种或多种陶瓷相与金属或合金组成的多相复合材料,既具有金属的塑性和韧性,又有陶瓷的高强度和高弹性模量,是一类非常重要的工程结构材料[1,2].原位合成技术,由于具有简化工艺、降低原料成本及实现特殊收稿日期:2000-08-18.基金项目:国家自然科学基金(50062001),广西自然科学基金(桂科自0007021)和武汉工业大学材料复合新技术国家重点实验室开放基金(第五批)资助项目.作者简介:邹正光(1962~),男,博士,教授.显微结构设计和获得性能优异的材料等多种优点,而成为复合材料的主要制备技术[3].原位合成金属陶瓷复合材料成为当今复合材料研究领域的热点之一,也是今后复合材料发展的一个重要方向[4].TiC/Fe金属陶瓷复合材料成了复合材料的一个新兴的研究领域.用粉末冶金法生成的T iC/Fe 复合材料已商品化,用于制造切削工具和钻探工具Received date:2000-08-18.Biography:Zou Zhengguan(1962)),male,doctor,professor.等[4].作者[5]采取自蔓延高温合成技术(SHS),用T i,C,Fe 粉合成了T iC/Fe 复合材料,并用制备的T iC/Fe 复合粉增强Fe 基材料,取得较好结果.范群成等[6]用SHS 结合QP (快速加压)技术合成T iC/Fe 复合材料.吴军等[7]以铁粉、钛粉和石墨粉为原料,用机械合金法结合热处理制得TiC 弥散强化铁基合金粉末.严有为等[8]采用铸造生铁和钛铁合金为原料,用反应铸造法制备净形原位TiC p /Fe 复合材料.上述研究工作者采用的方法均需分几步进行,即先制备纯金属相、合金相或合成陶瓷硬质相,之后再合成复合材料.这样因合成材料的过程耗能多而成本高,且不可避免陶瓷颗粒表面污染而影响复合材料的性能.本研究探索了一条低成本合成高性能TiC/Fe 复合材料的新途径:以天然矿物钛铁矿(FeT iO 3)为主要原料,实现合成与烧结一体化,一步原位合成复合材料.本工艺避免了颗粒的界面污染,改善了界面的结合性,可获得性能优良的TiC/Fe 复合材料;此外,工艺相对简化,制造成本相对较低,为T iC/Fe 复合材料的生产和开发提供理论依据和实验数据.本研究还对反应过程热力学进行了理论分析和实验研究,分析了产物的结构、组织和性能.1 实验原料钛铁矿(FeTiO 3质量分数>95%)由广西平桂钛白粉厂提供,其化学成分分析见表1,X 射线衍射物相分析见图1;石墨粒度为30L m.按m (钛铁矿)B m (C)=1B 4配制原料,按料球质量比1B 2加入玛瑙球,采用酒精作为介质,在塑料罐中混料24h,再烘干过180目筛制得混合粉.对混合粉进行差热分析(氩气保护,升温速度10e /min,最高温度为1300e ).将混合粉放入不锈钢模中,在30MPa 压力下得到预制圆块,密实度约为50%.将预制块在SL-7B 型真空电阻炉中实现合成与烧结,用WGJ 型精密光学测温计观测温度,升温速度10b /min,保温时间2h.用X 射线衍射仪(日本X-RAY 型,Co 靶加速电压40kV,电流强度30mA,扫描速度5b /m in)测定产物的物相组成,在扫描电镜(日本SX-40型,加速电压30kV,分辨率6nm)上进行颗粒分布及形貌观察,在万分之一天平上用Archimedes 法测密度Q ,硬度在HRS-150数显洛氏硬度仪上测量.表1 钛铁矿化学成分分析Table 1 C omposition of ilmeniteCompositionTiO 2FeOFe 2O 3P 2O 5SiO 2Loss Others Content w /%50.1337.519.040.072 1.240.841.168图1 原物料的X 射线衍射分析Fig.1 XRD pattern of r aw material2 结果与讨论2.1反应过程热力学分析2.1.1 热力学计算由钛铁矿(FeT iO 3)碳热还原合成TiC/Fe 复合材料的反应如下:1/4FeTiO 3+C 1/4TiC+1/4Fe+3/4CO (1)其中:FeTiO 3是一种复合氧化物,其还原过程是一个复杂的过程.由于原料的组成和反应过程温度的变化,该体系中存在一系列的中间反应,根据热力学分析,体系中有可能发生的反应主要有FeTiO 3+CFe+TiO 2+CO(2)3/4FeTiO 3+C 3/4Fe+1/4T i 3O 5+CO (3)2/3FeTiO 3+C 2/3Fe+1/3T i 2O 3+CO (4)1/2FeTiO 3+C 1/2Fe+1/2TiO+CO(5)1/3FeT iO 3+C1/3Fe+1/3T i+CO(6)根据上述反应(1)至(6)计算出在不同温度下的标准自由能($G 0)变化,各式反应$G 0的变化与温度(T )的关系示于图2.反应(1)至反应(6)均为吸热反应,随着温度的升高,各反应的$G 0值越负.对于反应(6),在现行工艺条件下,可认为难于发生,即难于在还原过程中得到金属钛[9].反应(1)至(5)各自开始反应的温度依次为1440,1200,1240,1275,1430K.然而,这是按各反应式单独进行反应时考虑的.实际上,还原过程是多种反应在同一体系中同时进行,在一定温度下,还原剂碳足够时,Ti x O y 将进一步还原成更低价氧化物至#200#硅酸盐学报 2001年生成T iC.实践中[9],控制一定的配碳量,在一定温度下,可使反应按所需的产物Ti x O y 进行.因此,在温度及还原剂碳足够满足条件时,FeTiO 3还原生成TiC 的实质是FeT iO 3先被还原成中间产物T i x O y ,然后再进一步被还原生成TiC.图2 反应的标准自由能$G 0与温度T 的关系Fig.2 Relationship betw een standard free ener gy $G 0andtemper ature T2.1.2 差热分析(DTA)及产物物相(XRD)分析图3为混合粉按反应式(1)组成配制原料的差热分析结果,升温速度10e /m in,采用氩气保护,最高温度为1300e .由DTA 曲线知在156e 有一吸热谷,是排除系统中的吸附水;从965e 出现一较宽的吸热谷,还原反应开始进行;1114,1156,1252e 分别有一些强的吸热谷,即随着温度的升高,系统中进行了一系列的吸热还原反应.FeTiO 3中的氧被一步一步地还原出来,首先生成一系列中间产物Ti x O y ,到还原反应结束,最终生成TiC.图3 差热分析结果F ig.3 DT A analysis result结合产物的XRD 分析(见图4),在1200e 时,反应可能得到的产物是TiO 2,T i 2O 3,FeO,A -Fe 等,这与上述分析结果相符合;当温度升高到1300e 及1450e 时,反应生成的最终产物物相只有TiC 和A -Fe 粒子,表明到1300e 时,还原反应已基本进行完毕.但是对比1300e 和1450e 产物中的衍射图谱特征可知,1450e 时的的衍射线均较1300e 偏低角度方向一些,d 值偏大了一些.由d 的值大小与缺位的关系[5]可知,1300e 时d 值较小是由于C 不足造成的,即在1300e 时先形成富Ti 缺C 的TiC x ,然后TiC x 继续与C 反应形成TiC.这同时也说明1450e 较1300e 时产物中游离碳含量少.图4 产物的XRD 图Fig.4 XR D patter ns of product由图4产物的XRD 图可知产物中含有一定量的石墨,分析其原因是:一方面,本实验采用的配比m (钛铁矿)B m (C)=1B 4,而原料钛铁矿中含有一定的P 和SiO 2等杂质,以TiO 2计算钛铁矿中的FeTiO 3质量分数约为95%,且合成的T iC x 是一种贫碳结构,x 在0.47~0.98中变化[5],对反应方程式(1),C 过量;另一方面,钛铁矿中的FeO 含量均少于理论组成47.34%,部分铁以Fe 2O 3形式存在[9],在还原过程中,Fe 2O 3按1/3Fe 2O 3+C =2/3Fe +CO 式,在较低的温度下(<1200K ),FeTiO 3开始反应前,被还原成金属铁,需要消耗稍多一些的还原剂C.综合以上两方面原因,用化学成分分析法,分析两种配比即m (钛铁矿)B m (C)=1B 4(样品1)和m (钛铁矿)B m (C )=1B#201# 第29卷第3期邹正光等:钛铁矿原位碳热还原合成T iC/Fe 复合材料的研究3.95(样品2)中的游离碳质量分数,得到样品1中为2.53%,样品2中为2.01%.这样,在保证反应进行完全的前提下,通过调整原料配比,可以减少产物中游离碳的含量,从而提高复合材料的性能.根椐以上热力学分析,在Ti-O-Fe-C体系中,热力学上最稳定的化合物是T iC,Ti x O y作为反应的中间产物存在于反应的某一阶段,但充分反应后,它们终将消失而被生成的TiC所取代.2.2显微组织特性图5为TiC/Fe复合材料的断口SEM图.从图中可以看出原位合成的TiC颗粒多为球形,大小均匀,尺寸为2~5L m.T iC颗粒尺寸除与反应温度有关外,也与金属含量有关.一般认为,金属含量越高,颗粒尺寸越小[2].本实验中,原位生成的金属相Fe的理论质量分数达48.25%,大量熔融的金属相阻碍了TiC粒子的聚集长大,因而获得了微细的T iC颗粒.由图可见,断口主要由沿晶断裂及陶瓷相从金属相界面拉脱而产生的韧窝,局部可见少数大颗粒陶瓷相产生的穿晶解理断裂.另外,合成产物中看不到大尺寸孔洞,但T iC颗粒之间、TiC 与Fe颗粒之间还存在少量微孔缺陷.其原因主要是:(1)TiC与Fe的润湿性不佳(在1550e,真空介质T iC对Fe的润湿角为41b)[1],容易在晶面处形成微孔;(2)材料在首先进行的还原反应中生成的CO气体来不及完全排出而被密封在能量较低的晶界或相界面处.文献[10]报道Mo的固溶有利于提高粘接相的抗氧化性和高温强度,同时改善对TiC的润湿性.图5a为没有加Mo的TiC/Fe微观结构图,图5b 为加入了质量分数为5%Mo的TiC/(Fe,Mo)微观结构图.由图可以明显地观察到,Mo的加入改善了金属相对TiC的润湿性,即Fe,M o能够均匀的包覆于T iC颗粒上,形成一层包覆层,从而使金属相与TiC粒子之间形成良好的结合.2.3产物性能分析图6表示真空烧结时,不同烧结温度下产物的硬度及相对密度的变化情况.由图可知,在1450e时,相对密度较低,硬度也低,这是因为在此温度下,产物尚未完全烧结.烧结温度在1500~ 1600e之间,相对密度都在90%以上,硬度值升高.即随烧结温度的升高,产物的硬度和相对密度稍有提高.另外,已得出实验结果表明,在原料中加入质量分数为7%的M o,在1550e下烧结,保温2h,产物的相对密度为98.40%,HRA=82.8.因此,利用原位碳热还原法,以天然矿物钛铁矿(FeTiO3)和石墨为原料,通过优化合成工艺,可以制备出性能优良的T iC/Fe复合材料.图5产物的SEM图Fig.5SEM photographs of products图6产物的硬度及相对密度Fig.6Hardness and relative density of product3结论(1)利用原位碳热还原法,以天然矿物钛铁矿(FeTiO3)和石墨为原料,实现合成与烧结一体化,真空烧结制备了TiC/Fe复合材料,探索了一条低#202#硅酸盐学报2001年成本合成高性能T iC/Fe 复合材料的新途径.(2)采用m (钛铁矿)B m (C)=1B 4配制原料,在965e 时反应开始进行,随着温度的升高,进行了一系列的吸热还原反应,伴随有一系列的中间产物Ti x O y 生成;当温度达到1300e 以上,最终还原反应产物为TiC 和Fe.调节原料配比可以减少产物中游离碳的含量.(3)加入Mo 时,可改善金属相与TiC 之间的润湿性.烧结温度在1500~1600e 之间,随烧结温度的升高,产物的硬度和相对密度稍有提高.参考文献:[1] 李荣久主编(Li Rongji u ed).陶瓷金属复合材料(Ceramic-M etal Composite)[M ].北京:冶金工业出版社(Beijing:M eta-l lurgy Indus try Press),1995.12)233.[2] 梅炳初(M ei Bingchu ).自蔓延高温合成-熔铸法(SHS -M elting)原位复合制备TiC/Ni 3Al 基复合材料的研究[D].武汉:武汉工业大学(Wuhan:Wuhan Univ Techn ),1995.1)39.[3] 张国军,金宗哲,岳雪梅,等(Zhang Guojun,e t al ).材料的原位合成技术[J].材料导报(M ater Rev),1997,11(1):1) 4.[4] 王一三,张欣苑,李凤春,等(W ang Yisan,et al ).反应铸造生成Fe-TiC 梯度表面复合材料的研究[J ].热加工工艺(H eat Fabrication T echnology),1999,4:13)17.[5] 邹正光(Zou Zhengguang).TiC/Fe 的自蔓延高温合成过程、机理及应用研究[D].武汉:武汉工业大学(W uhan:Wuhan Univ Techn),1998.[6] 范群成,柴惠芬,方学华,等(Fan Quncheng,et al ).TiC/Fe属陶瓷的自蔓延高温合成[J].西安交通大学学报(J Xi c an Jiaotong Un i v),1994,28(7):123)127.[7] 吴军,王成国,孙康宁,等(W u Jun,et al ).T iC 弥散强化铁基合金粉末的研究[J].金属热处理学报(Journal of M etal H ot T reatment),1996,17(4):57)60.[8] 严有为,威伯康,林汉同,等(Yan Youw ei,et al ).化学成分对原位T i C p /Fe 复合材料组成和性能的影响[J].中国有色金属学报(The Chinese Journal of Nonferrous M etal s ),1999,19(2):225)230.[9] 马惠娟主编(M a Huijuan ed).钛冶金学(Titanium M etallurgy)[M ].北京:冶金工业出版社(Beijing:M etallurgy Industry Press),1982.23)36.[10] 王零森编著(Wang Lingsen ed).特种陶瓷(Speci al Ceramics )[M ].长沙:中南工业大学出版社(Changsha:Central S outh U -niversity of Technology Press),1994.500)503.x x x x x x x x x x重要消息为进一步促进5硅酸盐学报6的国际化,根据第四届5硅酸盐学报6编委会第二次会议的精神,5硅酸盐学报6从2001年第3期开始,将刊出少量全文为英文的文章,希望广大作者和读者周知并予以支持。

激光熔覆原位合成TiC成形工艺参数优化方法

激光熔覆原位合成TiC成形工艺参数优化方法曾嘉怡;练国富;褚梦雅;黄旭【期刊名称】《精密成形工程》【年(卷),期】2022(14)6【摘要】目的针对激光熔覆原位生成TiC过程中成形质量差、优化手段少的问题,探究工艺参数对熔覆高宽比、稀释率和面积的影响规律,实现熔覆质量的预测与优化。

方法采用全因素试验对数据进行拟合回归,利用得到的数学模型进行方差分析,得到工艺参数对成形质量指标的作用规律,后通过NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标优化,并提出一种加权择优算法。

结果得到的优化工艺参数如下:激光功率为1585.70 W,扫描速度为4.76 mm/s,粉末配比为1.02,验证试验所得实际值与预测值的误差均小于10%,证明了优化方法的准确性。

结论高宽比随着激光功率和扫描速度的增大呈现降低的趋势,高宽比随着粉末配比的增大呈现先减小后增大的趋势;稀释率与激光功率、扫描速度和粉末配比的交互作用呈现正相关;熔覆面积随着激光功率的增大而增大,随着扫描速度和粉末配比的增大而减小。

研究结果能为激光熔覆原位合成TiC成形控制提供理论依据。

【总页数】10页(P101-110)【作者】曾嘉怡;练国富;褚梦雅;黄旭【作者单位】福建工程学院机械与汽车工程学院【正文语种】中文【中图分类】TG665;TH161.1【相关文献】1.激光熔覆原位合成TiC的Ni/TiC复合层显微组织与性能研究2.Ti811表面激光熔覆原位合成TiC-TiB2复合Ti基涂层的微观组织分析3.KmTBCr15Mo表面激光熔覆原位合成TiC-VC增强镍基熔覆层的工艺研究4.激光熔覆原位合成TiC-TiB2增强钴基复合涂层的研究5.激光熔覆原位合成TiC_p/Al复合材料中TiC体积分数的定量测定因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

金属基复合材料原位复合工艺

金属基复合材料原位复合工艺引言：金属基复合材料是一类具有优异性能和广泛应用前景的新型材料。

它由金属基体与强化相相互作用形成，具有优异的力学性能、高温抗氧化性、尺寸稳定性和耐磨性。

而原位复合工艺是制备金属基复合材料的一种重要方法，通过在金属基体中添加合适的强化颗粒，使其在加热过程中与基体发生化学反应，从而形成金属基复合材料。

本文将介绍金属基复合材料原位复合工艺的基本原理、工艺流程和应用前景。

一、基本原理金属基复合材料原位复合工艺是通过在金属基体中加入适当的强化相粉末，通过热处理使其与基体发生化学反应，形成金属基复合材料。

在热处理过程中，强化相粉末与金属基体中的元素发生扩散反应，形成新的化合物和相互溶解的固溶体。

这些新的化合物和固溶体的形成可以提高复合材料的力学性能、高温抗氧化性能和耐磨性能。

二、工艺流程金属基复合材料原位复合工艺包括原料制备、混合、加热和冷却等环节。

1. 原料制备：首先需要准备金属基体和强化相粉末。

金属基体可以选择具有良好塑性和可加工性的金属材料，如铝、镁、钛等。

强化相粉末可以选择具有高强度和高硬度的材料，如碳化物、氮化物、硼化物等。

2. 混合：将金属基体和强化相粉末按一定比例混合均匀，可以通过机械混合、湿法混合或气相混合等方法进行。

3. 加热：将混合后的材料放入高温炉中进行加热处理。

加热温度和时间需要根据金属基体和强化相的性质进行调控，通常在材料的熔点以上进行加热。

4. 冷却：经过一定时间的加热处理后，将材料从炉中取出，进行冷却处理。

冷却速度的快慢会对材料的微观组织和性能产生影响，需要根据具体应用要求进行调控。

三、应用前景金属基复合材料原位复合工艺具有广泛的应用前景。

由于金属基复合材料具有优异的性能，可以在汽车、航空航天、能源、电子等领域得到广泛应用。

1. 汽车领域：金属基复合材料可以用于汽车发动机缸体、车身结构和刹车系统等部件的制造，可以提高汽车的安全性、节能性和耐久性。

2. 航空航天领域：金属基复合材料可以用于航空发动机叶片、涡轮盘和航空结构件的制造，可以提高航空器的性能和可靠性。