液相烧结制备ZrO2掺杂Mo2NiB2基金属陶瓷及其性能研究

作     者：樊战博 

作者单位：陕西理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李文虎

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Mo2NiB2基金属陶瓷 ZrO2掺杂 微观组织 力学性能 耐腐蚀性能 

摘      要：MoNiB基金属陶瓷由于具有良好的耐磨性、优异的高温抗氧化性和耐腐蚀性等优点,有望在耐磨耐腐蚀涂层、模具和刀具领域中取代WC-Co硬质合金,从而减少战略金属资源的消耗。然而,MoNiB基金属陶瓷高温烧结过程中晶粒易长大,硬度和强度等力学性能仍不理想,极大地限制了其实际应用。因此有效提高和平衡MoNiB基金属陶瓷强度与韧性成为该材料急需解决的问题。本文采用不同制备工艺方式制备三组不同ZrO含量掺杂MoNiB基金属陶瓷,主要研究了不同含量ZrO掺杂对MoNiB基金属陶瓷微观组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响规律,并结合组织特征、断口形貌与性能测试结果等,深入分析ZrO掺杂对MoNiB基金属陶瓷组织和性能的影响机理。首先,采用干态球磨与真空热压烧结工艺制备了不同ZrO含量掺杂MoNiB基金属陶瓷。对所制备金属陶瓷的微观组织观察发现,掺杂定量的ZrO可使MoNiB硬质相与Ni基粘结相组织分布较为均匀,且晶粒尺寸相较于其它试样较小。力学性能结果表明,MoNiB基金属陶瓷为典型的脆性断裂,且当ZrO掺杂量为6.0 wt%时材料的抗弯强度和断裂韧性最大值分别为993.9 MPa和16.6 MPa·m,相变增韧是材料强韧性提高的主要原因。另外,电化学腐蚀测试和腐蚀失重测试分析表明,掺杂定量的ZrO可提高MoNiB基金属陶瓷的耐腐蚀性能,试样腐蚀形貌表面无明显腐蚀坑,金属氧化物钝化膜的形成对提高材料耐腐蚀性能起重要作用。其次,采用干态球磨与真空无压烧结工艺制备了不同ZrO含量掺杂MoNiB基金属陶瓷。MoNiB基金属陶瓷仍由陶瓷硬质相MoNiB和Ni基粘结相两相组成,当ZrO掺杂量为1.0 wt%和1.5 wt%时,两相组织分布较为均匀。MoNiB基金属陶瓷的最大硬度、抗弯强度、压缩强度和断裂韧性分别为828.8 HV0.3、1397.3 MPa、1811 MPa和24.1MPa·m。MoNiB硬质相与Ni基粘结相两相之间半共格的晶体学关系使得材料强度较高。此外电化学腐蚀结果说明ZrO含量为1.0 wt%的MoNiB基金属陶瓷具有优异的耐腐蚀性能。最后,采用高能球磨与真空无压烧结工艺制备了不同ZrO含量掺杂MoNiB基金属陶瓷。各元素粉体经过高能球磨处理后没有形成新的物相,粉体尺寸进一步得到细化,形成较多的片层状特征的组织。无压烧结生成的MoNiB基金属陶瓷的组织仍由MoNiB相和Ni组成,ZrO掺杂量为1.0 wt%的材料硬度、断裂韧性和压缩强度分别有最大值1082.3 HV0.3、22.1 MPa·m和2053 MPa。同时该试样具有优异的耐腐蚀性能,材料组织存在少数点蚀坑与粘结相溶解现象,这主要归因于由Mo O、NiO等金属氧化物的钝化膜可阻碍腐蚀溶液Na Cl与材料组织直接接触,避免MoNiB基金属陶瓷材料短时间内腐蚀。