W_Ti含量对钢铁基复合材料微观组织和相变的影响规律_王帅.pdf

材料研究与应用 2023，17（1）：109117W/Ti含量对钢铁基复合材料微观组织和相变的影响规律王帅1,2,郑志斌1,3,李英民2,王娟1,罗铁钢1,郑开宏1*,龙骏1,4,王海艳1,3（1.广东省科学院新材料研究所/国家钛及稀有金属粉末冶金工程技术研究中心/广东省金属强韧化技术与应用重点实验室/广东省钢铁基复合材料工程研究中心，广东 广州 510650；2.沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 100870；3.广东省塑料成型加工技术企业重点实验室，广东 佛山 528318；4.江西联峰熔模铸造有限公司，江西 宜春 336300）摘要：以 Fe、Ti、W 和石墨粉为原料，采用真空烧结技术制备铁基复合材料。通过改变粉末中的 W/Ti原子比，探究其对复合材料组织和相变的影响规律。结果表明：球磨后的粉末活性有所增加，并出现 TixW1x不稳定过渡相；材料的相变反应温度会随着粉末中 W 含量增加而升高，DSC 曲线尖锐的放热峰会逐渐变宽、变缓，剧烈的反应得到控制；粉末经烧结后会生成 TiC、WC 和 Ti4WC5等增强相，当粉末的 W/Ti比从 2 8增加至 4 6 时，反应产物中 3 种增强相的占比从 84.09%增加至 93.07%，生成物中 WC 的占比从 32.45%迅速增加到 78.5%。此外，由于复合材料组织中多种物相的存在，彼此间的取向差异会引起组织中出现微应变。随着粉末中 W/Ti比的增加，复合材料组织中的微应变逐渐增大；与粉末 W/Ti比为 2 8制得的复合材料相比，粉末的 W/Ti比为 4 6时制备的复合材料组织中的微应变提高了 2.84倍。因此，通过调节 W/Ti含量可实现对钢铁基复合材料微观组织和增强相的优化。关键词：真空烧结；原位自生；复合材料；微应变；相变中图分类号：TG142.72文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）01-0109-09引文格式：王帅，郑志斌，李英民，等.W/Ti含量对钢铁基复合材料微观组织和相变的影响规律 J.材料研究与应用，2023，17（1）：109-117.WANG Shuai，ZHENG Zhibin，LI Yingmin，et al.Effect of W/Ti Content on the Microstructure and Phase Transformation of Iron Matrix Composites J.Materials Research and Application，2023，17（1）：109-117.钢铁耐磨材料因作为耐磨领域不可或缺的核心性材料而被誉为“工业粮食”，但随着生产需求的提高与工业技术的革新，相对于结构材料在高温、腐蚀、磨损等恶劣工况条件下服役的性能也提出了更高的挑战。一直以来，我国都是耐磨钢铁材料的生产和应用大国，然而由于高锰钢、抗磨铸铁、合金钢等传统单一耐磨钢材的强韧性与耐磨性的相互制约，已无法满足电力、冶金机械、矿山、建筑、水泥等领域对材料更高耐磨性能的要求1-5。据统计，每年因磨损而造成的材料损失高达千万吨，材料的巨大损失不仅会造成资源的浪费，同时设备的停工停产以及耗费人力、物力的维修也会带来巨大的经济损失，若发现不及时还伴有严重的安全隐患，甚至危及生命6-7。因此，如何制备出兼顾钢铁的“柔”（塑性、韧性）和硬质相的“刚”（高硬度、高耐磨性）的复合材料的研发和应用一直是人们关注的焦点。根据钢铁基复合材料的不同服役情况下对自身尺寸和性能的要求，从引入增强颗粒角度将复合材料的制备工艺分为外加法和原位自生法8-9。外加法是在熔炼过程中将陶瓷颗粒直接加入到熔体中，获得组织性能稳定的复合材料的方法。但值得注意的是，由于陶瓷颗粒与熔体间的物性差异，外加法需收稿日期：2022-05-13基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFB3701204）；广东省重点研发计划项目（2019B010942001）；广东省科学院发展专项资金项目（2022GDASZH-2022010103）；广东省科技专项资金项目（江门）-江科 2020 182号）；江西省“双千计划”项目（S2020CXTD0356）作者简介：王帅（1992-），男，辽宁锦州人，博士研究生，从事耐磨钢铁基复合材料方面的研究，E-mail：。通信作者：郑开宏（1968-），男，四川南充人，博士，教授级高工，从事金属材料、无机非金属材料及其复合材料成形与加工方面研究，E-mail：。Materials Research and ApplicationEmail：http：/DOI：10.20038/ki.mra.2023.0001122 0 2 3材料研究与应用提前对陶瓷颗粒表面预处理以提高其与铁液的相容性，从而改善复合材料界面性能10-11。而原位自生法是通过原位反应在组织中以自生增强颗粒的方式制备出复合材料的方法，该方法可以完美解决颗粒与熔体间润湿性的问题，从而获得界面冶金结合良好的复合材料12。目前，用于复合材料的增强颗粒主要有氧化物、碳化物和氮化物等，而在众多增强颗粒中 TiC 因具有良好的热力学稳定性、反应所需的吉布斯自由能少并伴随高放热等优点，成为原位自生法制备钢铁基复合材料的首选增强相13-14。原位 TiC 反应从热力学和生长动力学角度已经证明是可行的。Hu等 15通过燃烧合成技术成功制备了原位 TiC 颗粒局部增强锰钢基复合材料，其硬度与耐磨能力有很大的提高。有研究者16通过研究 TiC-Fe 金属陶瓷材料发现，合理的碳含量可以有效控制材料的静态和动态机械损伤。此外，当反应物中的 C/Ti比与原位合成 TiC 的化学计量相似时，复合材料具有最佳的硬度和强度17。然而，由于原位生成 TiC 的反应过于剧烈，常会造成组织中存在气孔等缺陷。为此，人们通过在原始材料中添加一种或多种合金化合物作为缓蚀剂，其可吸收反应的高放热并控制反应速率，从而获得组织性能良好的复合材料。本文通过在原始 Ti、C 粉末的基础上进一步添加 W，采用原位法制备（W&Ti）-C 复相颗粒增强钢铁基复合材料。同时，改变粉末中的 W、Ti含量，揭示不同 W/Ti原子比在烧结过程中对复合材料组织结构与相变的影响规律。1试验材料与方法1.1试验原料试 验 所 用 的 初 始 粉 末 分 别 为 Fe 粉（纯 度 99%，长沙天久金属材料有限公司）、W 粉（纯度99%，厦门金鹭特种合金有限公司）、Ti 粉（纯度99%，株洲润丰新材料有限公司）和石墨粉（纯度99%，青岛华泰润滑密封科技有限公司），Fe、W、Ti及石墨粉的粒径分别为 150、10、150 和 20 m，初始粉末的形貌如图 1所示。采用真空烧结工艺，以 Fe-Ti-C 为基础设计并加入适当的 W 元素，利用生成的 WC 来吸收自生成TiC 的高放热，从而降低反应速率，组织、性能稳定的铁基复合材料。通过在混合粉末中添加不同含量的W元素，研究不同的W/Ti原子比（2 8、3 7和4 6）对复合材料组织和相演变的影响规律。制备复合材料的混合粉末具体成分列于表 1。图 1初始粉末的 SEM 形貌Figure 1SEM morphologies of the initial powders110第 17 卷 第 1 期王帅等：W/Ti含量对钢铁基复合材料微观组织和相变的影响规律1.2试验方法将配置好的粉末放置行星式球磨机中进行混粉，球料比设置为 5 1、球磨转速为 300 rmin1，球磨方式为正反转交替方式，球磨时间为 3 h。此外，为确保有效混粉，每次球磨时罐内粉末体积不得超过球磨罐体积的 2/3，同时采用酒精湿混工艺，即罐内粉末需被酒精完全浸没。球磨后的粉末放入 50 的干燥箱内进行干燥处理。将干燥后的粉末放入模具中，利用液压机将其压制成型，获得直径为 20 mm、高 10 mm 的饼状预制坯体，压制时轴向施载力 为100 kN、保压时间为 15 s。将压制好的坯体放入真空炉内进行真空烧结，炉膛内的真空度为7103 Pa、烧结温度为 1220，具体的烧结工艺参考文献18。1.3测试方法利 用 X 射 线 衍 射 仪（XRD，Rigaku SmartLab，Cu靶、40 kV、100 mA，日本），对烧结前后的样品进行物相鉴定。利用 Jade 6.0 软件对，XRD 图谱进行分析。通过配备能量色散 X 射线光谱仪（EDS）的场发射扫描电子显微镜（SEM，SU8220，Japan），对球磨粉末、烧结试样的微观结构进行表征。采用NETZSCH STA 409 PC 热分析仪，对球磨后的粉末进行差热分析，该测试在氩气气氛中进行，并以10 min1的升温速率从室温加热到 1350。2结果与讨论2.1球磨粉末图 2 为球磨后粉末的 SEM 形貌及对应的 EDS能谱。从图 2可以看出，球磨后粉末相对比较均匀，但随着 W 含量的增加，较大粒径的 Ti和 Fe 会逐渐被粒径较小的 W 和 C包覆。图 2不同粉末的 SEM 形貌及 EDS图谱Figure 2SEM morphologies and EDS patterns of different powders表 1粉末的组成成分Table 1Chemical compositions of the powders used in this study样品S1S2S3含量 w/%C119.528.39Ti35.2426.6720.14W33.7643.8151.47Fe202020原子比（W/Ti）2 83 74 61112 0 2 3材料研究与应用图 3 为球磨后粉末的 XRD 图谱。从图 3 可见：由于包覆现象的出现，阻止了 X 射线对 Fe 和 Ti 的鉴 定，所 以 X-射 线 衍 射 图 谱 中 Fe（ICDD-PDF No.06-0696）和 Ti（ICDD-PDF No.89-2959）的峰较弱；此 外，球 磨 后 的 粉 末 中 除 了 C（ICDD-PDF No.50-0927）和 W（ICDD-PDF No.89-2767）衍射峰的强度比较高之外，还发现了 TixW1x（ICDD-PDF No.49-1440）衍射峰，并且其与检测到 W 的峰位置近似重合，这是因为球磨过程中粉末与球体或罐壁之间的碰撞使粉末破碎、细化，这会增加粉末的活性而 使 能 量 增 加，从 而 导 致 晶 格 发 生 畸 变19-20；而TixW1x不稳定过渡相的出现，则更可能是晶胞中W 和 Ti原子彼此互换造成的。为了进一步探究粉、球和罐壁三者之间彼此碰撞导致粉末的活性变化，计算了球磨后粉末中 W 和Ti 对应的晶格常数。由于 W 是立方点阵，而 Ti 是六方点阵，根据布拉格定律2d sin =n及点阵常数晶格计算公式，所以有如下公式。d=ah2+k2+l2（1）d=143h2+hk+k2a2+()lc2（2）式（1）（2）中，d 为晶面间距，为衍射角，为X 射线波长，a 和 c 为晶格常数，h、k、l 为晶面指数。结合 X 射线衍射数据，并通过 Nelson-Riley 外推法和最小二乘法计算 W 和 Ti相的晶格参数18-22，计算结果列于表 2。由表 2 可知，球磨后粉末中 Ti和 W的晶格常数与 PDF卡中的标准值相比发生了明显变化。对于 S1和 S2粉末中 Ti的晶格常数 a（或 b）分别为 2.914 6和 2.915 4，略低于标准值 2.950 5，然而晶格常数 c 与标准值 4.862 6 相比分别增加了1.883 9 和 1.888 9。球磨后 S3 粉末中 Ti的晶格常数 a（或 b）和 c 分别增加到 3.293 6 和 6.753 9。而对于球磨粉中 W 的晶格常数与 PDF 卡片相比，S1 中 W 的晶格常数有所增加，S2 中 W 的晶格常数接近标准值，而 S3中 W 的晶格常数略有降低。2.2粉末的 DSC分析不同组分粉末的 DSC 曲线如图 4所示。从图 4可以看出：曲线中只有一个明显的相变反应放热峰，随着 W/Ti 的增加放热峰所对的温度逐渐升高；