《Nano lett.》：简单定向凝固工艺制备超高强度多孔陶瓷复合材料

导读：多孔陶瓷在各个领域都具有巨大的应用潜力。然而，它们的孔隙和强度之间的矛盾极大地阻碍了它们的应用。本文提出了一种简单的定向凝固工艺，该工艺依靠其原位成孔机制来制备 Al2O3/Y3Al5O12/ZrO2具有高度致密和纳米结构的共晶骨架基体和莲花型多孔结构的陶瓷复合材料。这种孔隙率为34%的多孔陶瓷复合材料在常温下的抗弯强度为497 MPa，创下了目前所有多孔陶瓷强度的新纪录。当温度升高到 1773 K 时，这种强度可以保持在 324 MPa，因为它具有精细的层状结构和牢固的键合界面。本文展示了定向凝固在高效制备高纯度超高强度多孔陶瓷中的有趣应用，这些发现将为多孔陶瓷的强度打开一扇窗。

根据格里菲斯脆性强度理论，传统致密陶瓷可以通过提高断裂韧性 K1c4和减小缺陷尺寸 c 来提高其强度 σ。对于多孔陶瓷，孔隙特性是其强度的额外关键。在此背景下，ln σ 与 P 之间的线性关系已通过实验数据证明，通常表示为 σ = σ0e-BP，其中 σ 是多孔体的强度，σ0是相同材料无孔体的强度，P 为孔隙体积分数，B 为 ln σ vs P 曲线的斜率。B 值由孔隙特征决定，该方程表明，通过同时实现孔特征优化（较小的 B）和孔骨架强化（较高的 σ0）可以获得较高的 σ。具有球形孔和定向棒状孔的陶瓷通过直接发泡制备和牺牲模板，分别获得较小的B。

包括冷冻铸造在内的简易技术13,14和生物模板15还可以指导制备具有高度各向异性排列孔的陶瓷，这些孔在特定加载方向上表现出高σ 。这些方法通常包括两个过程，即构建骨架前体和通过烧结使前体致密化。然而，σ0仍然受到限制，因为烧结方法不适合控制缺陷尺寸 c，特别是对于具有低初始密度的骨架前体。为了提高 σ0，研究人员获得了骨架矩阵。

西北工业大学科研人员提出了一种简单的定向凝固工艺，该工艺依靠其原位成孔机制来制备 具有高度致密和纳米结构的共晶骨架基体和莲花型多孔结构的多孔共晶陶瓷复合材料。 这种孔隙率为34%的多孔陶瓷复合材料在常温下的抗弯强度为497 MPa，创下了目前所有多孔陶瓷强度的新纪录。当温度升高到 1773 K 时，这种强度可以保持在 324 MPa，因为它具有精细的层状结构和牢固的键合界面。我们展示了定向凝固在高效制备高纯度超高强度多孔陶瓷中的有趣应用。这些发现将为多孔陶瓷的强度打开一扇窗。 本文以题“Ultrahigh-Strength Porous Ceramic Composites via a Simple Directional Solidification Process”发表在纳米材料领域顶刊NANO上。

链接： https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c00116

图 1. (a) 激光浮区装置定向凝固法制备Al2O3/YAG/ZrO2多孔共晶陶瓷复合材料的过程；(b) 原位成孔机制示意图；(c) 气泡和固相耦合生长的动态平衡；（d）移动浮动区域的照片显示的液固界面上的稳定气泡。

图 2. (a) 微计算机断层扫描显示的长 5.70 mm、直径 4.47 mm 的多孔陶瓷棒中孔的 3D 结构；(b) 生长的多孔陶瓷棒断面的典型扫描电子显微镜 (SEM) 图像，表明光滑的孔壁；(c) 生长骨架基质的横截面微观结构的透射电子显微镜 (TEM) 图像。

图4. (a) 不同孔隙率的Al2O3/YAG/ZrO2多孔共晶陶瓷复合材料在室温下的抗弯强度σf和抗压强度σc；(b) ln σ (包括 ln σf和 ln σc) 与 P 的关系。B 的值由它们的线性关系的斜率计算；（c）这项工作的样品与通过各种当前方法制备的报道的多孔陶瓷之间的强度比较。

图 5. (a) 孔隙率为 34.45% 的多孔共晶陶瓷在不同温度下三点弯曲试验的典型应力-位移曲线；（b，c）多孔骨架基质抛光纵向截面的背散射电子图像：（b）原点和（c）弯曲试验后。

总之，作者建立了一个定向凝固技术和多孔陶瓷材料之间的关系。原位成孔机制是它们之间的桥梁，首次为同时强化骨架基质和优化孔隙特性提供了解决方案。上述两个特征有助于刷新当前所有多孔陶瓷的强度记录。孔隙率为34%的试样在常温下的抗弯强度为497 MPa，高于相同成分的致密热压陶瓷。此外，层状共晶结构和相之间的强键合界面使这种多孔陶瓷复合材料在 1773 K 的高温下保持相当大的强度。这项研究证明了定向凝固在有效制备超高强度多孔陶瓷中的有趣应用。高纯度。 随着定向凝固技术的发展和未来更多的成分设计，可以制备出更大尺寸、更高强度的多孔陶瓷复合材料，显著释放多孔陶瓷的潜力。

YT15的刀具是用来切削钢类零件的。

YT15是一种钨钴钛类硬质合金，具有高的耐磨性，和高的硬度，一般用于刀具材料。适合于半精车、精车。

YT15：Y，（硬，的汉语拼音第一个字母y）；T，含碳化钛，其中含量为15%。

扩展资料：

常用的硬质合金铣刀一般可以为三大类：

1、 钨钴类硬质合金（YG）

常用牌号YG3、YG6、YG8，其中数字表示含钴量的百分率，含钴量愈多，韧性愈好，愈耐冲击和振动，但会降低硬度和耐磨性。因此，该合金适用于切削铸铁及有色金属，还可以用来切削冲击性大的毛坯和经淬火的钢件和不锈钢件。

2、钛钴类硬质合金(YT)

常用牌号有YT5、YT15、YT30，数字表示碳化钛的百分率。硬质合金含碳化钛以后，能提高钢的粘结温度，减小磨擦系数，并能使硬度和耐磨性略有提高，但降低了抗弯强度和韧性，使性质变脆，因此，该类合金适应切削钢类零件。

3、 通用硬质合金

在上述两种硬质合金中加入适量的稀有金属碳化物，如碳化钽和碳化铌等，使其晶粒细化，提高其常温硬度和高温硬度、耐磨性、粘接温度和抗氧化性，能使合金的韧性有所增加，因此，这类硬质合金刀具有较好的综合切削性能和通用性，其牌号有：YW1、YW2和YA6等，由于其价格较贵，主要用于难加工材料，如高强度钢、耐热钢、不锈钢等。

参考资料来源：百度百科-铣刀

YG系列的合金多数用来加工铸铁；YT系列加工钢

钢材是最常用的机械零件材料之一。随着刀具新材料的不断出现，钢材的加工方法也越来越多样化。机加工中使用最广泛的刀具材料为硬质合金系列。然而，硬质合金刀具由于其本身性能的限制，并不适于现代化机械工业飞速发展的高速度、高效率和高精度的要求，因此，近年来对涂层刀具、陶瓷刀具和超硬刀具的研究日益增多。但是这些刀具不是成本太高，就是强度及韧性较低，因此并未得到广泛的应用。而Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，由于具有硬度高、耐磨性及导热性好等优良综合性能，因而被广泛用作工具材料，而且可以填补硬质合金和陶瓷工具材料之间的间隙。此外，通过对金属陶瓷成分的优化，可以制备出强度、韧性和耐磨性综合性能优异的切削刀具，使得它能适于高速精密切削的发展。到目前为止，国内外对纳米TiN 改性TiC 基金属陶瓷刀具的研究还较少。本文即选取工业生产中应用广泛的45 号钢作为切削加工的目标材料，通过具体的切削实验考察和比较新型金属陶瓷刀具与传统金属陶瓷刀具、Al2O3刀具及YT15硬质合金刀具的磨损性能，为这种新型金属陶瓷刀具的实际应用打下一定的基础。

1 实验

表 金属陶瓷刀具的成分(%) 粉末 TiC TiN(nm) WC Ni Co Mo C

质量分数 48 10 15 5 5 16 1

图1 SNUN150406型刀具尺寸

刀具的化学成分

试验所用新型金属陶瓷刀具的成分如右表所示。其中TiN是纳米粉末，其颗粒大小在30～50nm。

刀具的制备

按表1所列成分称粉。先将纳米TiN粉末按一定的分散工艺进行分散，然后按常规粉末冶金工艺制备金属陶瓷刀具。将烧结后的刀具粗坯在M612 型端面磨床上用200目金刚石砂轮磨削成如图2所示的刀具尺寸(刀片型号为SNUN150406)。

组织观察

刀具表面经1??m金刚石抛光膏抛光后用m(HF):n(HCl)=1:1的混合酸进行腐蚀，然后在HITACHI X-650 型扫描电镜上观察显微组织。

切削实验

实验条件如下：CA6140 型车床；刀具为新型金属陶瓷刀具、传统Ti(C，N)基金属陶瓷刀具(10TiN-16Mo2C-54TiC-20Ni)、Al2O3刀具及YT15硬质合金刀具；工件为??210mm× 60mm 的45 号钢棒，正火态，硬度为21HRC；切削条件为干切削；刀具安装角度为：a0=9°，g0=-8°，Kr=45°，Kr'=45°。先将被加工工件固定在车床上，并将刀具装夹在刀杆上固定好，按设定的切削用量进行切削。每隔一定时间暂停切削，取下刀片，在40倍工具显微镜下测量刀具后刀面平均磨损量VB，然后将刀具重新装夹好，继续切削。磨钝标准取后刀面磨损量为VB=0.3mm。对切削后的刀具用HITACHI-650型扫描电镜观测刀具磨损形貌。

图2 金属陶瓷刀具的组织(SEMx 3000)

2 结果及讨论

新型金属陶瓷刀具的显微组织

新型金属陶瓷刀具的显微组织如图2所示。由图可见，金属陶瓷的组织由2相(陶瓷相+金属相)组成。其中较粗大的陶瓷相呈芯/壳(core/shell)结构，即芯部成分是Ti(C，N)固溶体，而壳部成分主要是(Ti，Mo，W)(C，N)固溶体；而金属相则是由Ni，Co，Mo 组成的合金体。与传统金属陶瓷组织相比，新型金属陶瓷组织更细小；这主要是由于纳米TiN 的添加降低了金属陶瓷的烧结温度以及它对基体TiC 的钉扎而抑制了基体晶粒的长大有关。

刀具的磨损形态和磨损曲线

金属切削过程是工件上被切削金属层在刀具作用下经受挤压产生滑移变形，引起断裂，形成切屑的过程。正常情况下，刀具磨损的基本形态表现为刃口磨损、前刀面磨损、后刀面磨损和刀尖磨损4 种，如图3(a)所示。其中后刀面磨损几乎在各种切削条件下都会出现，而且测量比较方便。所以，本实验即取刀具的后刀面磨损值VB 用作判断刀具磨钝程度的基准。典型的磨损曲线如图3(b)所示。

金属陶瓷刀具的磨损曲线

图4是在切削用量为Vc=300m/min，f=0.1mm/r，ap=1mm时新型金属陶瓷刀具的后刀面平均磨损量VB(mm)随切削时间t(min)的变化曲线。由图4可以看出在此切削用量下，金属陶瓷刀具的磨损曲线是比较典型的磨损曲线，可分为3个阶段。Ⅰ.初期磨损阶段：这一阶段磨损较快，这是因为新刃磨的刀具表面存在着微观粗糙度、氧化层和破坏层，切削初期因为刀具后刀面与加工表面接触面积小，压应力比较集中，很快就在后刀面上磨出一个窄面。Ⅱ.正常磨损阶段：当在初期磨出一个窄面后，压强减少，磨损的速度也随之稳定下来，即进入正常磨损阶段。此阶段为刀具的有效工作期。Ⅲ.剧烈磨损阶段：当磨损量大到一定程度时，加工表面的粗糙度增大，切削力和切削温度急剧增大，磨损曲线的斜率急剧增加，以致刀具磨损值很大。为了保证加工质量，应当避免进入这个阶段。

(a)刀具磨损形态

(b)典型磨损曲线

图3 刀具磨损的基本形态及典型磨损曲线

(Vc=300m/min，f=0.1mm/r，ap=1mm)

图4 新型金属陶瓷刀具正常磨损曲线

1.YT15刀具 2.Al2O3刀具 3.传统金属陶瓷刀具 4.新型金属陶瓷刀具

图5 新型金属陶瓷刀具与对比刀具的磨损曲线

图6 金属陶瓷刀具的磨损形貌(SEMx 1010)

金属陶瓷刀具与硬质合金刀具磨损性能的对比

YT15刀具、Al2O3刀具、传统金属陶瓷刀具及新型金属陶瓷刀具在切削用量为Vc=200m/min，f=0.1mm/r，ap=1mm 条件下的对比切削磨损曲线如图5所示。

由图5可见，YT15硬质合金刀具在此切削用量下切削60min后，其后刀面平均磨损量VB就已经超过了0.3mm；而对Al2O3刀具而言，在VB=0.30mm 时切削时间可达76min；而对传统金属陶瓷刀具而言，在VB=0.30mm 时切削时间可达200min 以上；但新型金属陶瓷刀具切削430 分钟时其VB 仅为0.23mm，而且刀具仍处于正常磨损阶段。在此切削用量下，新型金属陶瓷刀具的寿命远大于YT15刀具、Al2O3刀具及传统金属陶瓷刀具，估计其寿命能达500min以上。

与传统Ti(C，N)基金属陶瓷刀具相比，新型金属陶瓷刀具具有更高的刀具寿命，这是因为向TiC 基金属陶瓷中添加纳米TiN 比添加微米TiN对基体TiC 的细化作用要更加显著，这一点可由文献及图2 得到证明。金属陶瓷组织的细化能有效提高材料的综合力学性能，用作刀具材料更能发挥其优越性。

而对于Al2O3陶瓷刀具，虽然它具有高温硬度高、化学稳定性好等优点，但该刀具材料的主要缺点是抗弯强度低，约为0.4～0.5GPa。此外，Al2O3的导热率约为12.557W/m·℃，是硬质合金的1/2～1/5；线胀系数(约为8.0× 10-6/℃)比硬质合金大10%～30%，而且弹性模量低。故Al2O3陶瓷刀具材料对机械冲击极为敏感。在切削碳钢时，该型刀具常以崩刃的形式失效。

与硬质合金相比，金属陶瓷刀具之所以具有更高的刀具寿命是由于以下几个原因决定的：(1)2种刀具材料的高温硬度差别较大。YT15硬质合金刀具为钨钛钴类(WC-TiC-Co)硬质合金，其硬质相由WC和TiC 组成，以Co为粘结相。由于TiC的硬度(HV3200)高于WC的硬度(HV2400)，因此TiC 含量越多，硬度也越高。与硬质合金相比，虽然金属陶瓷的强度及韧性较低，但其强度随温度的升高下降较慢，弥补了其强度较低的缺点，能很好地应用于塑性较好、硬度不高的材料的切削加工中。(2)金属陶瓷刀具有较高的抗氧化能力。在切削时TiC 氧化形成的TiO2保护膜非常致密，有润滑作用，故耐磨性较高。而对硬质合金刀具，在切削时WC会被氧化形成多孔的WO3，而且当刀尖温度在800℃以上时，WC还会与钢发生反应，形成脆弱的复合碳化物(WFe)6C，这些对刀具耐磨性都不利。与WC相比，TiC 是相对稳定的。(3)金属陶瓷刀具有较高的抗月牙洼磨损能力。月牙洼磨损开始产生的温度，一般硬质合金为850～900℃，而金属陶瓷为1100～1200℃。(4)金属陶瓷刀具化学稳定性较好，与钢化学亲合力小，与工件的摩擦系数也小，因此用金属陶瓷刀具切削时，可阻止刀具与钢的粘结，不易产生积屑瘤，工件的加工精度可明显提高。TiC 与工件材料45 号钢的粘结温度(1120℃)高于WC(1000℃)，因此，与硬质合金相比，金属陶瓷刀具具有较高的抗粘结磨损的能力。

金属陶瓷刀具的磨损形貌图6 为新型金属陶瓷刀具在切削用量为Vc=200m/min，ap=0.5mm，f=0.1mm/r 条件下的磨损形貌。由图可见，磨损表面除了明显的磨痕及剥落坑外，还有明显的裂纹扩展的痕迹。金属陶瓷刀具磨损的主要机理是磨粒磨损、高温的粘结磨损及扩散磨损。

3 结论

与传统金属陶瓷相比，新型金属陶瓷的组织更细小。

与传统金属陶瓷刀具、Al2O3刀具及YT15硬质合金刀具相比，新型金属陶瓷刀具具有更高的刀具寿命和切削效率，且主要以“磨损”形式失效。

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