粉末冶金法制备TiC316L复合材料及其致密化与性能研究

粉末冶金法制备粉末冶金法制备TiC316LTiC316L复合材料及其致密化与性能研究复合材料及其致密化与性能研究 华华中中科科技技大大学学博博士士学学位位论论文I摘要TiC 316L 不锈钢复合材料综合了TiC颗粒的低密度 高硬度和高耐磨性的优点 同时保留了不锈钢基体高的强韧性和优良的抗蚀性能 因而在机 械 化工 石油 海洋等工业领域有着巨大的应用潜力 与其他制备方法相比 粉末冶金法具有成分比例准确 处理温度低 生产效率高等优点 因而被认为是最适合颗粒增强不锈钢复合材 料的制备方法 但对于采用粉末冶金法制备的复合材料而言 其产品孔隙率较高 致密化程度不够 因而 如何提高粉末冶金材料的致密化程度成为 研究者十分关心的问题 为此 本文对采用粉末冶金法制备的TiC 316L不锈钢复合材料的致 密化和性能展开研究 为提高粉末冶金法制备不锈钢复合材料的致 密化程度 探讨了粉末冶金TiC 316L不锈钢复合材料新的致密化工 艺和方法 实验采用扫描电子显微镜观察了在不同球磨方式下获得的TiC 316L 复合粉末的微观形貌 并依据黄培云双对数方程和相关烧结模型分 别对该粉末的压制特性及烧结行为进行了研究和分析 结果表明 采用先干磨再湿磨的球磨方式得到的复合粉末具有粒度 小 混合均匀的特点 并且该粉末活性大 烧结激活能低 有利于 后续的压制成形和烧结致密化 为了探讨粉末冶金TiC 316L不锈钢复合材料致密化的影响因素 研 究了常规压制和温压成形对复合粉末致密化的影响 结果表明温压 工艺可以提高TiC 316L复合粉末的塑性变形能力 促进压制过程中 粉末颗粒的重排 从而实现压坯的致密化 在此基础上提出采用温压成形和微波烧结的复合方法制备TiC 316L 不锈钢复合材料 实验结果表明 与常规粉末冶金法相比 采用该 复合方法可以获得较高相对密度的复合材料试样 并且TiC颗粒分布 更为均匀 减少了增强体颗粒在基体中的聚集 华华中中科科技技大大学学博博士士学学位位论论文II采用ANSYS软 件模拟了增强体颗粒形状不同的复合材料的应力应变行为 结果表 明 与正方形 六边形颗粒相比 采用圆形增强体颗粒 有利于复 合材料应力应变的均匀分布 圆形颗粒表现出较好的强化效果 论文考察了TiC 316L不锈钢复合材料拉伸力学性能 耐磨性能和高 温氧化行为的影响因素 研究发现TiC颗粒的引入 能有效提高复合 材料的抗拉强度 耐磨性能和抗氧化性能 增加压制过程中的压制 压力也可以在一定程度上提高复合材料的抗拉强度和耐磨性能 结果显示 添加10wt TiC的复合材料抗拉强度最高 抗氧化性能最 好 添加5wt TiC的复合材料的耐磨性能最好 压制压力为500MPa 时 复合材料具有良好的拉伸性能 压制压力为400MPa时 复合材 料的耐磨性能较好 对TiC 316L不锈钢复合材料的摩擦磨损行为研究表明 提高复合材 料的致密化程度和TiC颗粒在基体中的分散性 可以促进TiC颗粒在 摩擦磨损过程中有效承载 阻止磨损变形 减少体积磨损量 与采用常规粉末冶金法相比 采用温压成形和微波烧结制备的复合 材料因致密化程度的提高 其硬度较高 耐磨性较好 对复合材料的高温氧化行为研究表明 采用温压成形和微波烧结的 复合方法获得的复合材料因为改善了TiC增强体颗粒在基体中的分布 促进了材料的致密化 较明显的降低了材料的氧化速率 论文还研究了Mo添加对TiC 316L不锈钢复合材料致密化和性能的影 响 研究显示 Mo的添加可以促进TiC 316L不锈钢复合材料的烧结 致密化 从而有利于TiC 316L复合材料抗拉强度和耐磨性能的提高 同时 添加Mo可以改善TiC 316L不锈钢复合材料在3 5wt NaCl溶 液中的抗点蚀能力 也有助于降低复合材料在15wt H2SO4溶液中的 腐蚀速率 不锈钢作为一种现代结构材料 在工业发展和科技进步中具有举足 轻重的作用 1 3 随着经济的发展 不锈钢的应用越来越广泛 其中316L不锈钢由于 具有无磁性 良好的焊接性能及抗蚀性能 因而在机械 化工 石 油 海洋 食品 轻工等多种领域具有广泛的用途 4 5 随着现代工业的不断发展 对316L不锈钢材料性能的要求也日益提 高 例如 应用于腐蚀环境的热交换器 高压设备 应用于纸浆和 造纸工业中的氧化反应器 蒸煮锅 应用于炼油工业中的常减压蒸 馏 催化裂化加氢脱硫等装置和设备时 往往会因为内壁磨损 氧 化腐蚀而报废 有时寿命仅为几个月 这就要求这些材料不仅具有良好的耐腐蚀性能 而且还要具有高强 度 高耐磨性和良好的抗氧化性能等 316L不锈钢属于奥氏体型不锈钢 由于本身是固溶体 而且含碳量 较低 碳等元素都被固溶在晶格里 冷却时不发生相变 故不能通 过淬火提高其强度和硬度 因而普通的316L不锈钢强度和硬度都较 低 6 7 特别是在某些高强度工作条件下往往容易发生破坏 因此 它在承 受较重负荷及对强度和耐磨性有较高要求的设备和部件上的使用受 到了限制 随着316L不锈钢的应用领域愈来愈广泛 对316L不锈钢的强度 韧 性 耐磨性和耐蚀性均提出了越来越高的要求 这些要求成为高强 度高性能不锈钢材料发展的动力 1 2316L不锈钢材料的强硬化316L不锈钢的基体组织是奥氏体 在加 热和冷却过程中不发生相变 所以不能通过热处理的方法调整材料 的组织和改变其力学性能 8 因而 316L不锈钢的强硬化最直接的方法是表面涂覆 即在表面涂 覆一层硬质材料 以使316L不锈钢能在更为苛刻的环境中应用 目前关于这方面的研究获得了较大的进展并在一些领域得到应用 例如 M H Ding等 9 采用射频磁控溅射法在316L不锈钢表面涂华华 中中科科技技大大学学博博士士学学位位论论文2覆一层约为1 2 m 的Ta xC1 x膜 与原基体材料相比 表现出了优异的耐磨性能 可作为候 选材料在生物医学领域获得应用 K Y Chiu等 10 采用激光表面改性在316L不锈钢表面获得一层NiTi 改性层 其表面微观硬度由180HK增加到700HK 弹性回复率由8 增 加到28 Guijiang Li等 11 研究指出其采用等离子渗氮法在316L不锈钢表面涂覆CrN层 可以较好的提高基体材料的硬度和耐磨性能 A Viswanatha等 12 采用高能激光在316L不锈钢表面获得WC Fe5Si3复合层 使材料的表面硬度达883HV 此外 还有在316L不锈钢材料表面涂覆诸如TiC 13 Ti 14 TiO2 Al2O3 15 等提高不锈钢表面硬度和耐磨性能的报道 尽管如此 在316L不锈钢材料表面涂覆复合薄膜或涂层 往往会因 为涂层与基体材料的热失配导致产生较高的内应力 而发生涂层与 基体的脱粘 特别是在腐蚀 高温等苛刻的使用环境中显得更为明 显 从而影响材料的使用 近年来人们运用材料复合化思路和先进的制备方法 探索研制弹性 模量高 强度高 耐磨性能较好和腐蚀性能优良的结构功能一体化 的陶瓷颗粒增强不锈钢复合材料 16 17 低密度 高强度和高硬度的陶瓷颗粒增强体加入到不锈钢基体中 在降低不锈钢材料密度的同时 提高了它的硬度和耐磨性能 同时 保留了不锈钢基体的优良的耐腐蚀性能 在机械 化工 石油 海 洋等工业领域有着巨大的应用前景 18 1 3颗粒增强不锈钢复合材料的研究现状1 3 1不锈钢复合材料的增 强体选择颗粒增强复合材料的增强效果主要由添加的增强体体现出 来 因此 选用合适的增强体对复合材料的性能提高显得至关重要 增强体的选择不仅要考虑其力学性能 更重要的是要考虑增强体与 基体的化学稳定性与相容性 19 因为它关系到材料的制备和材料 长期安全使用的可靠性 同时也要考虑增强体与基体的热膨胀系数 差值 两者的热膨胀系数差值过大 会由此引起材料内部位错密度 的变化和内应力场的变化 这些对材料的性能影响很大 Akhtar Farid等 20 采用添加Si3N4颗粒制备不锈钢复合材料 其研究结果 表明华华中中科科技技大大学学博博士士学学位位论论文3含2wt S i3N4增强体的复合材料 其抗拉强度可以得到明显的提高 文献 21 采用TiC作为增强体制备不锈钢复合材料 研究结果显示 其与不锈钢材料相比具有更好的抗磨损性能 J D Majumdar 22 研究表明 以SiC颗粒为增强体能有效提高316L不 锈钢材料的耐磨性能 A M Do Nascimento 23 研究指出 添加WC颗粒也可以明显改善不锈钢材料 的抗磨损性能 此外 还有采用Al2O 3 TiB 2 Y2O 3 WC ZrO2等作为增强体制备不锈钢复合材料的报道 他们的研究 均表明采用添加硬质相颗粒可以有效改善不锈钢基体的硬度 耐磨 性等机械性能 总之 为了提高不锈钢材料的强度 硬度等力学性能 采用的增强 体一般为常见的高硬度难熔的碳化物 硼化物和氧化物 表1 1列出 了常用的不锈钢复合材料增强体的物理和力学性能 表1 1部分增强体的性能指标 24 26 Table1 1The propertiesof someparticulates forstainlesssteelmatrix posites增强体密度 g cm 3 熔点 热膨胀系数 1610 K 努氏硬度 GPa 抗拉强度 MPa 弹性模量 GPa SiC3 1926974 632535 140430TiC4 9330677 7428 35120440TiB24 5232256 415 45129529Al2O33 9720548 318 23223420TiB4 52xx 628280550ZrO25 89270012 01 83132WC15 5527203 84 810然而 在添加硬质相颗粒提高不锈钢基体的强度 硬度等力学性 能的同时 使材料由单相变为复相 从电化学角度而言 材料的微 电池数目必然会增加 这会对材料的耐蚀性能造成一定的影响 因此 对于颗粒增强不锈钢复合材料而言 在增强体的选择方面有 其特殊性 要综合考虑增强体添加后的适配性 杨霞 27 比较研究了TiC Al2O 3 WC NbC Si3N4五种增强体与不锈钢基体的反应性及对烧结过程 的影响 其研究结果表明由于Al2O3与不锈钢基体相容性较差 增强体的作用 得不到充分发挥 使材料的强度和耐蚀性不良 而TiC WC NbC与 不锈华华中中科科技技大大学学博博士士学学位位论论文4钢基体具 有良好的化学相容性 能均匀分布到不锈钢基体中 可以有效提高 其强度 特别是添加TiC的不锈钢材料还表现出优越的耐腐蚀性能 近年来国内外有较多的关于TiC颗粒作为不锈钢复合材料的增强体方 面的报道 从他们的研究结果来看 TiC颗粒是适合作为不锈钢复合 材料的增强体的 这是因为TiC具有硬度高 抗氧化 耐腐蚀 比重 小 热稳定性好等优异的物理化学性能 特别是它与不锈钢之间具 有较好的化学相容性 17 28 此外 高纯的TiC颗粒已经商业化生产 成本相对较低 而且采用粉 末冶金法制备 其在烧结过程中晶粒长大倾向较小 从而使复合材 料具有优良的使用性能 是一种比较理想的增强体材料 1 3 2碳化钛增强体的结构TiC的晶体结构为NaCl型面心立方 图1 1 所示为其晶胞结构及配位多面体结构 TiC是一种具有面心立方点阵的间隙相 在其面心立方晶胞中碳原子 位于八面体的中心位置 TiC的晶体结构决定了其具有优异的性能 作为硬质陶瓷增强体在80 0 以下时变形量非常小 同时 TiC是非常稳定的间隙型化合物 具有高熔点 高硬度 高杨氏模量 高化学稳定性 良好的耐磨和 耐腐蚀性等优点 广泛用作增强体制备颗粒增强复合材料 例如钛 基 29 镍基 30 铁基 31 镁基 32 等颗粒增强复合材料 因此 以TiC作为增强体制备复合材料具有广阔的发展前景 图1 1TiC的晶体结构 33 Fig 1 1Crystal structureofTiC 33 a Lattice structureof NaCl type crystal b Coordination polyhedronin crystal华华中中科科技技大大学学博博士士学学位位论论文51 3 3 颗粒增强不锈钢复合材料的制备技术颗粒增强不锈钢复合材料的性 能 应用 成本等在很大程度上取决于其制备方法和制备技术 因此 制备方法和制备技术成为影响颗粒增强不锈钢复合材料迅速 发展和应用的关键问题 按照不锈钢基体在制备过程中的状态和增强体颗粒的引入方式 可 将颗粒增强不锈钢复合材料的制备工艺分为液相工艺 液 固两相工 艺和固相工艺 例如 图1 2所示 TiC增强的钢基复合材料的制备方法可分为液相 法 原位复合法和粉末冶金法 基体材料在制备过程中的状态分别 为液相 液固两相和固相 图1 2TiC增强钢基复合材料的制备方法 34 Fig 1 2Methods ofproducing TiCreinforced steelmatrix posites 34 1 3 3 1液相工艺液相工艺是指在制备复合材料的过程 中 不锈钢基体为液相 增强体颗粒通过各种手段被引入到不锈钢 熔体中 它主要包括铸造法和熔体浸渗法 为了获得增强体分布均匀 界面结合较好的复合材料 在制备过程 中通常要采用搅拌或是外加压力 正压或负压 等条件 刘旋 35 采用真空实型铸渗法制备了TiC颗粒增强钢基表面复合材料 其颗粒 分布较为均匀 研究结果还显示优化该方法的制备工艺有利于增强 体颗粒在复合材料中的均匀分布 采用液相工艺制备颗粒增强不锈钢复合材料具有很多优点 例如工 艺简单 成本低 易于制备大型复杂零件 能适用规模生产等 但是 由于不锈钢材料的熔点较高 一些增强体在不锈钢熔体中反 应活性大 不锈钢的密度与增强体的密度相差较大等原因 致使采 用液相工艺制备颗粒增强不锈钢复合材料仍然面临一些问题 如制 备过程中所需温度较高 增强体颗粒容易偏聚 发生界面反应 体 华华中中科科技技大大学学博博士士学学位位论论文6积分数受到限 制等 这些问题的存在阻碍了液相工艺在制备颗粒增强不锈钢复合材料中 的应用和发展 1 3 3 2液 固两相工艺液 固两相工艺主要包括喷射沉积技术和原位 复合法 喷射沉积技术的过程一般是先将增强体颗粒与金属熔体在特定的雾 化器内相混合 随后将混合体雾化并喷射到水冷基底上形成激冷复 合颗粒 再完成固结而制成大块复合材料 如图1 3a 由于形成激冷 增强体颗粒与金属熔滴接触的时间极短 界面化学 反应可以得到有效控制 M Khakbiz 36 以316L不锈钢和TiC粉末为原料 采用喷射沉积技术 制备了颗粒增强不锈钢复合材料 分析研究了该复合粉末在喷射沉 积过程中的流变特性和稳定性 其研究结果表明该体系的复合粉末具有较好的流变特性和稳定性 制备的复合材料颗粒分布较为均匀 但也发现采用该技术制备复合材料存在所需设备复杂 过程控制较 难 制备的材料需二次加工等不足 在颗粒增强不锈钢复合材料的制备过程中 增强体与不锈钢基体之 间或多或少的存在界面反应 同时 一些增强体与不锈钢基体的相容性较差 这将影响复合材料 在制备和应用时的性能和稳定性 为了较好的解决界面的过度反应和相容性问题 原位复合法 如图1 3b 提出通过合适的化学反应导致增强体颗粒直接在不锈钢基体中 即原位 生成 Akhtar Farid 28 采用该方法 通过Fe TiC TiB FeBCTi2222 的反应制备了TiB2 TiC不锈钢复合材料 获得了Ti B2和TiC增强体均匀分布的不锈钢复合材料 界面结合良好 X D Hui 37 采用原位复合法制备TiC增强Fe Cr Ni不锈钢复合材料 TiC颗粒与基体可以良好浸润 界面结合良好 所得复合材料具有良好的高温抗蠕变性能 原位复合工艺基本上能克服基体与增强体浸润不良 界面反应产生 脆性层 增强体分布不均等问题 且有表面干净 与基体界面相容 性好等优点 作为一种突破性的新工艺而深受重视 而且发展相当 迅速 值得注意的是 利用原位复合技术虽然能够得到热力学稳定 尺寸 细小 分布均匀的增强体颗粒 但是与此同时在原位反应过程中也 会伴随有其它相的产生 华华中中科科技技大大学学博博士士学学 位位论论文7并且该工艺过程要求严格 增强体的成分和体积分数不 易于控制 图1 3 a 喷射沉积过程示意图 b 原位复合过程示意图 38 Fig 1 3Schematic diagramsof a the spraydeposition process b in situ synthesizedprocess 38 1 3 3 3固相工艺固相工艺是指制备过程中 材料基本处于固态 如粉末冶金法 粉末冶金法是最早开发用于制备金属基复合材料的工艺 也较早用 于颗粒增强不锈钢复合材料的研究 39 粉末冶金法的过程是先将增强体和基体粉末混合均匀 再经压制 烧结及后续处理等工序制成产品 如图1 4 图1 4粉末冶金工艺示意图Fig 1 4Schematic diagramof powdermetallurgy对于粉末冶金法而言 由于在制备过程中材料基 本处于固态 其界面反应大大减弱 并且增强体的加入量可以随意 调节 成分比例准确 体积分数易于控制 华华中中科科技技大大 学学博博士士学学位位论论文8增强体分布均匀 性能稳定 生产效 率高 M Vardavoulia等 16 认为粉末冶金法是制备颗粒增强不锈钢复合材 料的较好选择 可使增强体颗粒在基体中均匀分布 有利于材料性 能的提高 并采用该法制备了耐磨性能较好的A12O3和Y2O3增强不锈 钢复合材料 F Akhtar等 21 采用粉末冶金法获得了TiC颗粒分布均匀 界面结合 良好的不锈钢复合材料 其具有高硬度 抗磨损等优良性能 到目前为止 采用粉末冶金法在制备颗粒增强不锈钢复合材料中已 经得到了广泛的应用 发展也十分迅速 但对于粉末冶金材料而言 其产品孔隙率较高 致密化程度不够 这会降低材料的强度和耐 蚀性能 如何改善工艺 采取后续处理措施 采用新的致密化工艺等提高粉 末冶金材料的致密化程度成为研究者十分关心的问题 也成为该方 法应用和发展的关键所在 1 3 4颗粒增强不锈钢复合材料的性能研究材料的研究与其性能和应 用始终是密切联系的 不锈钢材料在使用过程中遇到的突出问题是 强度和硬度偏低 所以目前的研究大部分集中在提高不锈钢材料的 强度 硬度和耐磨性等方面 另一方面 对于颗粒增强不锈钢复合材料而言 其不锈钢基体的抗 氧化 耐腐蚀等优良性能应得到保持 因此对该类复合材料的抗氧 化 耐腐蚀等性能的研究也得到了关注 1 3 4 1拉伸强度和塑性已有研究表明 颗粒增强不锈钢复合材料与 不锈钢基体相比 拉伸强度有显著的提高 但延伸率会有不同程度 的降低 例如 Zifei Ni等 40 研究指出 与不锈钢基体材料相比 添加5vol TiC的不锈 钢复合材料的屈服强度和抗拉强度分别由322MPa和714MPa增加至416 MPa和854MPa 延伸率则由基体材料的56 5 降至36 7 I Sulima等 41 报道指出 添加1vol 的陶瓷颗粒 即可明显提高3 16L不锈钢复合材料的拉伸强度 其弹性模量可达208GPa 吴钱林 42 研究指出随着TiC颗粒的引入 能使304不锈钢的屈服强 度和抗拉强度有较大提高 但塑性和韧性有一定的下降 且加入的T iC越多 强度提高幅度越大 塑性和韧性下降幅度也越大 例如 添加6wt TiC 不锈钢复合材料的屈服强度和抗拉强度分别 达到华华中中科科技技大大学学博博士士学学位位论论文9570 3MPa 和907 0MPa 而断面收缩率由58 9 变为23 5 其分析指出TiC颗粒的增强效应主要是由于不锈钢基体和TiC颗粒在 塑性变形过程中发生不一致的变形 从而产生对位错运动的阻碍而 引起的 随着增强体的加入 复合材料的塑性会明显降低 而且增强体含量 越高 复合材料的塑性越差 李东波 43 采用粉末冶金工艺制备ZrO2 2Y 316L不锈钢复合材料 发现复合材料的抗弯强度和断裂韧性随ZrO2含量的增加而单调下降 ZrO2含量由l0vol 增至30vol 材料的强度和韧性分别下降42 和59 1 3 4 2硬度和耐磨性能由于普通的不锈钢材料硬度偏低 耐磨性能 较差 引入增强体颗粒不仅可以提高材料的强度 而且还可以显著 改善材料的耐磨性能 因此该类复合材料的硬度和耐磨性能的研究 得到了特别的注重和发展 在不锈钢基体中引入增强体颗粒后可以使复合材料的硬度得到较大 程度的提高 根据复合材料的混合律模型 44 增强体含量越高 复合材料的硬 度也会越高 Jayant Jain等 45 对增强体含量不同的复合材料的硬度进行了比较 如图1 5 其研究结果表明增强体颗粒的加入 不锈钢基体的硬度得到 了明显提高 例如加入5wt 的增强体颗粒 材料的硬度可提高50 然而 复合材料的硬度还要受很多因素的影响 并不会随增强体含 量的增加而单调增大 谢建新 46 等研究发现不锈钢基体的粉末粒度对复合材料的硬度也 有较大影响 随着不锈钢粉末粒度的增大 试样的硬度值下降 不 锈钢粉末粒度越细小 复合材料的硬度越高 与不锈钢基体相比 颗粒增强不锈钢复合材料往往具有更高的硬度 其耐磨性能也较好 文献 47 研究指出 随着增强体颗粒的引入不锈钢材料的耐磨性能 得到了明显的提高 例如 添加5wt 增强体颗粒的不锈钢复合材料 其耐磨性能比不锈钢基体高2倍 文献 42 对TiC强化304不锈钢耐磨性能的研究指出 颗粒增强不锈 钢复合材料具有良好的耐磨性能主要是因为增强体颗粒在基体中分 布均匀 且与不锈钢基体有良好的润湿性和粘合力 防止了不锈钢 基体产生反复塑性变形导致磨损表面下较深处裂纹的产生 K Das 48 报道了TiC增强钢基复合材料的耐磨性能 其研究表明增 强体颗粒大小会对复合材料的耐磨性能有较大影响 细华华中中科 科技技大大学学博博士士学学位位论论文10颗粒增强的复合材料的 耐磨性能较好 一般而言 复合材料中的增强体含量越高的耐磨性能会越好 F Akh tar 21 等人分析比较了TiC含量对耐磨性的影响 其结果表明在相 同的磨损载荷下 增强体含量较高的不锈钢复合材料的磨损量较低 表现出更好的耐磨性能 但增强体含量过高 复合材料的塑性会急剧恶化 使材料变得十分 硬脆 所以在增强体含量的选择上应综合考虑材料的应用和性能 使材料具有较好的综合力学性能 文献 45 的研究就表明添加过多的硬质相颗粒 10wt 硬质相 颗粒容易在晶界聚集 界面结合减弱 使复合材料的硬度反而降低 文献 48 对TiC增强的钢基复合材料耐磨性能的研究也发现类似的规 律 如图1 6 增强体含量过高 复合材料的耐磨性能反而出现恶 化 1 3 4 3高温氧化行为与耐腐蚀性能开展颗粒增强不锈钢复合材料的 高温氧化行为研究对材料的高温应用非常重要 同时 高温抗氧化 性能也是衡量材料应用于高温环境的重要性能指标 近年来 关于颗粒增强不锈钢复合材料的高温氧化行为和抗氧化性 能的研究得到了研究者的日益关注 文献 49 认为 复合材料要获得优良的抗氧化性能 其表面产生的 氧化膜需要有高的热力学稳定性 如生成Al2O 3 SiO 2 Cr2O3等保护膜 同时氧化膜与基体材料之间应有良好的黏附 性 不锈钢材料通常具有较好的抗氧化性能 是因为在高温氧化过程中 其表面产生选择性氧化 易于形成具有保护性的连图1 6增强体含量 和颗粒大小对耐磨性的影响 48 Fig 1 6Effect ofvolume percentand particlesizeon wearresistanceofposites图1 5YAG添加对316L不锈钢硬度的影响Fi g 1 5Effect ofYAG additionon hardnessof316L stainlesssteel 45 华华中中科科技技大大学学博博士士学学位位 论论文11续氧化膜 M P Phaniraj等 50 研究了Y2O3不锈钢复合材料的循环氧化行为 其研究指出添加Y2O3颗粒使复合材料在氧化过程中形成Y的混合氧化 物保护膜 有利于材料的抗氧化性能的提高 Wu Qianlin等 51 研究了采用原位合成法制备的TiC弥散强化304不锈钢 材料的高温氧化行为 其研究指出TiC颗粒的引入显著降低了304不 锈钢的氧化速率 同时 其研究表明TiC的加入显著改善了304不锈 钢在高温氧化过程中的抗剥落性 多年来 国内外材料工作者较多的致力于颗粒增强不锈钢复合材料 的制备工艺和提高力学性能的研究 相对而言 对其耐腐蚀的研究 则较少 然而 应用该类材料正是要充分利用其基体优良的耐蚀性 能 对于颗粒增强不锈钢复合材料而言 增强体颗粒的引入 使得原来 单相的不锈钢材料变成了增强体和基体的双相 得到的复合材料强 度虽然提高了 但由于不再是单一组织 从电化学角度来说 其微 电池数目必然会增加 这在一定程度上会对其耐腐蚀性能造成影响 例如 Y J Ren等 52 研究发现TiC增强体的引入 可以提高304不锈 钢在H2SO4溶液中的腐蚀电位 并且可以很明显的降低材料的腐蚀电 流密度 随着TiC的加入 材料的腐蚀电流密度由8 3 Acm 2降至0 0 34 Acm 2 极大的提高了材料的耐腐蚀性能 S Balaji等 53 研究了Y2O3增强316L不锈钢复合材料的腐蚀性能 其研究结果表明添加增强体颗粒不会明显恶化材料的耐腐蚀性能 而有利于降低材料的腐蚀倾向 显然 他们的研究结果均表明增强体颗粒的引入可以提高复合材料 的耐腐蚀性能 但增强体的含量过高会对复合材料的耐腐蚀性能造 成不利影响 原因是过多的硬质相的引入会使材料的致密化程度降 低 添加一些合金元素 例如 Mo 可以在一定程度上降低这种恶化程 度 因而研究合金元素添加对该类复合材料的耐蚀性能的影响受到 研究者的密切关注 1 4粉末冶金材料的致密化研究如上文所述 与其他方法相比 采用 粉末冶金法制备不锈钢复合材料具有增强体分布均匀 体积分数可 控 处理温度较低等优点 但是采用该法制备的复合材料 其内部 往往不可避免的存在孔隙 孔隙的存在显著影响着材料的力学 物华华中中科科技技大大学学 博博士士学学位位论论文12理 化学和工艺性能 也严重影响粉末 冶金材料致密化程度的进一步提高 对粉末冶金材料而言 其致密化过程主要是在压制和烧结过程中完 成的 因而 提高生坯密度与加速烧结致密化 是消除孔隙提高粉 末冶金材料致密化程度的两个主要途径 54 黄培云 55 认为 在粉末的压制过程中 粉末体受压后会发生位移 和变形 随着压制压力的增加 压坯的致密化过程可分为三个阶段 如图1 7 在第一阶段 粉末的 拱桥效应