[科普中国]-碳化钽

简介

金属基复合材料因其特有的高比强度、高比模量、耐磨和耐高温等优势而受到各国材料领域科学家的广泛关注。目前，关于金属基复合材料的研究主要集中在整体均匀复合， 但由于磨损只发生在零件表面，整体复合不利于材料的回收和再利用，对环境造成污染。另一方面，许多研究表明，耐磨材料需要同时具有高硬度和高韧性， 而整体复合只提高了硬度，却不能使韧性得到改善，而金属-陶瓷复合材料既保持了陶瓷的高硬度、高耐磨性等优良性能，又具有金属基体的高韧性、高延展性。

碳化物颗粒具有高强度、高硬度、与基体润湿性良好等优点， 使其作为第二相颗粒增强金属基复合材料已广泛应用于航空航天、冶金、建材、电力、水电、矿山等领域，并取得了很好的实际应用效果。目前所见报道的碳化物颗粒主要有碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、碳化铌(NbC)和碳化钒(VCp)等，而与金属钒、铌同族的元素钽却研究较少。

碳化钽(TaC)陶瓷颗粒具有高熔点(3880℃)、高硬度(2100HV0.05)、化学稳定性好、导电导热能力强等优点，但由于其成本等问题，目前所见报道仅限于镍基、铝基等基体。Chao 等利用激光熔覆技术，制备出了镍基增强碳化钽表面复合材料，结果表明此材料与纯镍相比硬度显著提高， 磨损率比硬化钢明显降低；Yu 等研究了在高温梯度下镍基、铬基、铝基增强碳化钽原位反应定向凝固与其微观结构的关系，结果表明随着凝固速率的提高，固相结构发生了变化，而且碳化钽的体积分数也随凝固速率的改变而变化；王文丽等利用激光熔覆技术，在A3 钢表面制备出了原位生成TaC 颗粒强化的镍基复合涂层，结果表明在适当的工艺条件下，其生成TaC 颗粒增强镍基复合涂层成形良好、表面光滑，涂层与基体呈现良好的冶金结合。而对钢铁基原位生成TaC的研究鲜有报道。因此，在本实验中采用了表面陶瓷颗粒增强铁基复合的方法。同时，选用TaC颗粒作为第二相颗粒增强相。对TaC 颗粒原位增强铁基表面复合材料的微观形貌及反应过程进行分析1。

TaC 复合材料组织及组织结构TaC 表面复合材料宏观组织试样在1160℃保温1 h 反应形成TaC/ Fe 梯度复合材料。宏观观察发现：反应层梯度明显、过渡均匀，与基体结合良好，无明显的剥落现象。整个扩散反应过程反应区厚度约为1180μm， 试样主要有四层， 分别是A层、B 层、C 层和基体。

组织成分分析-XRD 分析结果和能谱分析对复合材料试样进行XRD 分析。反应区存在α-Fe、TaC、G(石墨)三相，不存在Fe、Ta 中间相及Ta2C，可见在该温度下扩散反应很充分，有大量的C 扩散并参与反应。

对反应区域长方体颗粒及正方体颗粒进行点能谱分析。分析结果显示，方形颗粒相中除Ta、C 外，还存在少量的Fe。Ta 原子与C 原子百分比接近1∶1。这主要是因为生成物Ta 及TaC能溶入奥氏体中， 在随后的冷却过程中析出形成TaC，而部分Fe 仍嵌在其中，所以检测出少量Fe。综合判断认为长方体和正方体颗粒均为TaC， 而没有中间产物Ta2C。

TaC 表面复合材料微观组织对TaC 表面梯度复合材料进行微观组织形貌分析。分别是TaC梯度复合材料宏观组织的A 层、B层和C 层的微观组织形貌。A 层的颗粒团聚紧密，反应均匀，完全未分散形成颗粒。颗粒大小在纳米级， 因此称此反应层为纳米TaC 层；B 层已出现方形颗粒雏形，颗粒连接交织，未分散。其大小在微米级范围内， 因此称此反应层为微米TaC 层；C层颗粒处于与基体结合处， 各颗粒之间被条状珠光体组织分隔，使其界限清晰可见，并且颗粒在反应区边缘完全分散，因此称此反应层为TaC 分散层2。

复合材料显微硬度对TaC 表面梯度复合材料从表面到基体进行了显微硬度的测试。从表面开始每隔50μm 进行一次显微硬度测试，从其测试出的硬度值分布中可以看出：TaC 表面梯度复合材料的表面显微硬度值最高达2123HV0.02， 其中纳米TaC层显微硬度为1980～2025HV0.02， 微米TaC 层显微硬度为1750～2010HV0.02，TaC 分散层显微硬度为1640～1710HV0.02， 其TaC 层随距表面距离的增加，其显微硬度呈现降低的趋势，但其显微硬度仍可达到灰口铸铁基体的5.5～7.0 倍。

反应过程根据实验过程中产物的形态和分布， 建立钽板在铸铁基体中的液固反应过程模型。模型分为以下几个步骤： 反应初期、反应生成熔融[TaC]、反应生成TaC、反应生成TaC 分散层和完全反应。

从反应模型中可知， 在反应过程中基体中的原子需穿过基体层才能到达界面反应处。其反应的过程为：反应初期C 原子通过扩散到达Ta 板表面，与Ta 板表面熔融的[Ta]结合；由于Ta 对C 有极强的亲和力，当Ta、C 相遇时发生原位反应生成[TaC]共熔体；基体中的C 继续扩撒与[TaC]共熔体结合，当其浓度在熔体中达到饱和时析出碳化物TaC 颗粒，形核长大，而未与共熔体[TaC]结合的C 则继续向Ta 板表面扩散，与Ta 板表面熔融[Ta]进行原位反应生成[TaC]共熔体；由于TaC 的晶形属于面心立方，C 因其比面心立方中四面体空隙和八面体空隙都小的优势，可通过TaC 层扩散至[TaC]共熔层，与[TaC]共熔体发生原位反应生成TaC 颗粒，同时C也扩散至已经形核长大的TaC 颗粒中，使其完全分散;C 可以通过TaC 分散层、TaC 层、[TaC]共熔体层不断的与Ta 板表面熔融[Ta]原位反应，直至Ta 板完全反应。简而言之，钽与碳之间的原位反应过程经过了溶解-扩散-原位反应-再扩散的过程3。

总结(1) 用Fe 作为基体，Ta 板作为增强相，在1160℃下保温1 h 利用铸造-热处理工艺成功地制备了TaC 表面复合材料。

(2) 原位复合方法制备的TaC 表面复合材料可形成明显的梯度变化，其颗粒呈现出从小到大的分布， 根据其颗粒大小分为TaC 纳米层、TaC 微米层和TaC 分散层，且每层的结合处过度均匀；反应层与基体结合处形成了良好的冶金结合。

(3) TaC 层的显微硬度最高值达到2123HV0.02，并且随距表面距离的增加，呈现降低的趋势，但仍可达到铸铁基体的5.5～7.0 倍。

(4) 初步机理分析认为， 钽与碳之间的原位反应过程经过了溶解-扩散-原位反应-再扩散的过程3。