基本介紹
- 中文名：碳化鉭
- 外文名：Tantalum carbide
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 類型：氯化鈉型立方晶系
- 密度：14.3g/cm3
材料介紹,TaC複合材料,巨觀組織,組織成分,微觀組織,顯微硬度,反應過程,總結,
材料介紹
金屬基複合材料因其特有的高比強度、高比模量、耐磨和耐高溫等優勢而受到各國材料領域科學家的廣泛關注。目前，關於金屬基複合材料的研究主要集中在整體均勻複合， 但由於磨損只發生在零件表面，整體複合不利於材料的回收和再利用，對環境造成污染。另一方面，許多研究表明，耐磨材料需要同時具有高硬度和高韌性， 而整體複合只提高了硬度，卻不能使韌性得到改善，而金屬-陶瓷複合材料既保持了陶瓷的高硬度、高耐磨性等優良性能，又具有金屬基體的高韌性、高延展性。
碳化物顆粒具有高強度、高硬度、與基體潤濕性良好等優點， 使其作為第二相顆粒增強金屬基複合材料已廣泛套用於航空航天、冶金、建材、電力、水電、礦山等領域，並取得了很好的實際套用效果。目前所見報導的碳化物顆粒主要有碳化鎢(WC)、碳化鈦(TiC)、碳化鈮(NbC)和碳化釩(VCp)等，而與金屬釩、鈮同族的元素鉭卻研究較少。
碳化鉭(TaC)陶瓷顆粒具有高熔點(3880℃)、高硬度(2100HV0.05)、化學穩定性好、導電導熱能力強等優點，但由於其成本等問題，目前所見報導僅限於鎳基、鋁基等基體。Chao 等利用雷射熔覆技術，製備出了鎳基增強碳化鉭表面複合材料，結果表明此材料與純鎳相比硬度顯著提高， 磨損率比硬化鋼明顯降低；Yu 等研究了在高溫梯度下鎳基、鉻基、鋁基增強碳化鉭原位反應定向凝固與其微觀結構的關係，結果表明隨著凝固速率的提高，固相結構發生了變化，而且碳化鉭的體積分數也隨凝固速率的改變而變化；王文麗等利用雷射熔覆技術，在A3 鋼表面製備出了原位生成TaC 顆粒強化的鎳基複合塗層，結果表明在適當的工藝條件下，其生成TaC 顆粒增強鎳基複合塗層成形良好、表面光滑，塗層與基體呈現良好的冶金結合。而對鋼鐵基原位生成TaC的研究鮮有報導。因此，在本實驗中採用了表面陶瓷顆粒增強鐵基複合的方法。同時，選用TaC顆粒作為第二相顆粒增強相。對TaC 顆粒原位增強鐵基表面複合材料的微觀形貌及反應過程進行分析。
TaC複合材料
巨觀組織
試樣在1160℃保溫1 h 反應形成TaC/ Fe 梯度複合材料。巨觀觀察發現：反應層梯度明顯、過渡均勻，與基體結合良好，無明顯的剝落現象。整個擴散反應過程反應區厚度約為1180μm， 試樣主要有四層， 分別是A層、B 層、C 層和基體。
組織成分
對複合材料試樣進行XRD 分析。反應區存在α-Fe、TaC、G(石墨)三相，不存在Fe、Ta 中間相及Ta2C，可見在該溫度下擴散反應很充分，有大量的C 擴散並參與反應。
對反應區域長方體顆粒及正方體顆粒進行點能譜分析。分析結果顯示，方形顆粒相中除Ta、C 外，還存在少量的Fe。Ta 原子與C 原子百分比接近1∶1。這主要是因為生成物Ta 及TaC能溶入奧氏體中， 在隨後的冷卻過程中析出形成TaC，而部分Fe 仍嵌在其中，所以檢測出少量Fe。綜合判斷認為長方體和正方體顆粒均為TaC， 而沒有中間產物Ta2C。
微觀組織
對TaC 表面梯度複合材料進行微觀組織形貌分析。分別是TaC梯度複合材料巨觀組織的A 層、B層和C 層的微觀組織形貌。A 層的顆粒團聚緊密，反應均勻，完全未分散形成顆粒。顆粒大小在納米級， 因此稱此反應層為納米TaC 層；B 層已出現方形顆粒雛形，顆粒連線交織，未分散。其大小在微米級範圍內， 因此稱此反應層為微米TaC 層；C層顆粒處於與基體結合處， 各顆粒之間被條狀珠光體組織分隔，使其界限清晰可見，並且顆粒在反應區邊緣完全分散，因此稱此反應層為TaC 分散層。
顯微硬度
對TaC 表面梯度複合材料從表面到基體進行了顯微硬度的測試。從表面開始每隔50μm 進行一次顯微硬度測試，從其測試出的硬度值分布中可以看出：TaC 表面梯度複合材料的表面顯微硬度值最高達2123HV0.02， 其中納米TaC層顯微硬度為1980～2025HV0.02， 微米TaC 層顯微硬度為1750～2010HV0.02，TaC 分散層顯微硬度為1640～1710HV0.02， 其TaC 層隨距表面距離的增加，其顯微硬度呈現降低的趨勢，但其顯微硬度仍可達到灰口鑄鐵基體的5.5～7.0 倍。
反應過程
根據實驗過程中產物的形態和分布， 建立鉭板在鑄鐵基體中的液固反應過程模型。模型分為以下幾個步驟： 反應初期、反應生成熔融[TaC]、反應生成TaC、反應生成TaC 分散層和完全反應。
從反應模型中可知， 在反應過程中基體中的原子需穿過基體層才能到達界面反應處。其反應的過程為：反應初期C 原子通過擴散到達Ta 板表面，與Ta 板表面熔融的[Ta]結合；由於Ta 對C 有極強的親和力，當Ta、C 相遇時發生原位反應生成[TaC]共熔體；基體中的C 繼續擴撒與[TaC]共熔體結合，當其濃度在熔體中達到飽和時析出碳化物TaC 顆粒，形核長大，而未與共熔體[TaC]結合的C 則繼續向Ta 板表面擴散，與Ta 板表面熔融[Ta]進行原位反應生成[TaC]共熔體；由於TaC 的晶形屬於面心立方，C 因其比面心立方中四面體空隙和八面體空隙都小的優勢，可通過TaC 層擴散至[TaC]共熔層，與[TaC]共熔體發生原位反應生成TaC 顆粒，同時C也擴散至已經形核長大的TaC 顆粒中，使其完全分散;C 可以通過TaC 分散層、TaC 層、[TaC]共熔體層不斷的與Ta 板表面熔融[Ta]原位反應，直至Ta 板完全反應。簡而言之，鉭與碳之間的原位反應過程經過了溶解-擴散-原位反應-再擴散的過程。
總結
(1) 用Fe 作為基體，Ta 板作為增強相，在1160℃下保溫1 h 利用鑄造-熱處理工藝成功地製備了TaC 表面複合材料。
(2) 原位複合方法製備的TaC 表面複合材料可形成明顯的梯度變化，其顆粒呈現出從小到大的分布， 根據其顆粒大小分為TaC 納米層、TaC 微米層和TaC 分散層，且每層的結合處過度均勻；反應層與基體結合處形成了良好的冶金結合。
(3) TaC 層的顯微硬度最高值達到2123HV0.02，並且隨距表面距離的增加，呈現降低的趨勢，但仍可達到鑄鐵基體的5.5～7.0 倍。
(4) 初步機理分析認為， 鉭與碳之間的原位反應過程經過了溶解-擴散-原位反應-再擴散的過程。
