聚晶立方氮化硼复合材料的高温高压合成及性能研究

作     者：姜紫凌 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李志宏;张相法

授予年度：2021年

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

主      题：聚晶立方氮化硼 复合材料 结合剂 高温高压 力学性能 

摘      要：聚晶立方氮化硼复合材料具有硬度高、耐磨性好、热稳定性好以及物理化学性质稳定等一系列优点,被广泛应用于淬硬钢、铸铁和高温合金等难加工材料的高速切削加工。本课题在高温高压的条件下,分别研究了结合剂体系(SiC-Al、TiCN-Al、TiAlC-Al),烧结温度和结合剂含量对聚晶立方氮化硼复合材料物相组成,微观组织形貌和力学性能的影响。以SiC-Al为结合剂体系的聚晶立方氮化硼复合材料,在烧结温度1500℃,结合剂含量为20 wt.%时,表现出较优的力学性能,抗弯强度达到563.32 MPa,相对密度为97.6%,维氏硬度为45.61 GPa,断裂韧性为5.20 MPa·m。在此基础之上,通过增强相SiC的引入,样品的力学性能得到了显著提高。当SiC含量为15 wt.%时,其断裂韧性最高为7.38 MPa·m,当SiC含量为10 wt.%时,其抗弯强度达到最优值为695.85 MPa。与未添加SiC的复合材料相比,分别提高了41.9%和23.5%。这主要归因于SiC与SiC之间良好的的协同作用以及SiC的拔出、桥连和裂纹偏转等增韧机制。以TiCN-Al为结合剂体系,聚晶立方氮化硼复合材料在烧结温度1550℃,结合剂含量20 wt.%时,获得最好的综合性能。相对密度为99.3%,抗弯强度达到为590.54 MPa,维氏硬度为49.50 GPa,断裂韧性为6.42 MPa·m,磨耗比为1.05。在此基础之上,进一步探究了TiCN-Al-Co结合剂体系对聚晶立方氮化硼复合材料性能的影响。Co的加入显著降低了烧结温度,在1450℃时,烧结体能达到TiCN-Al体系在1550℃下相媲美的性能。TiAlC-Al作为结合剂体系制备的聚晶立方氮化硼复合材料中,TiAlC的分解程度会对烧结体的性能造成较大影响,在1300℃时,未完全分解的层状TiAlC能通过挤压、变形、滑移等形式有效阻碍裂纹扩展,对复合材料的断裂韧性有显著改善,达到7.18 MPa·m。