层厚比对TiC-WC/TiC-TiCN层压陶瓷微观结构和力学性能的影响

《Materials Science and Engineering: B》：Effect of layer thickness ratio on microstructure and mechanical properties of TiC-WC/TiC-TiCN laminated ceramics

层状陶瓷通过真空热压烧结制备，研究层厚比（LTR）对残余应力、微观结构和力学性能的影响。结果表明残余应力交替分布，裂纹偏转、桥接及混合断裂机制协同抑制裂纹扩展，提升断裂韧性和抗弯强度。当LTR为1时，材料断裂韧性达8.9±0.1 MPa·m1/2，抗弯强度1088±5 MPa，表面硬度18.7±0.1 GPa。证实层状结构可有效改善陶瓷力学性能。

　　

高娇娇|何学松|宋金鹏|王卓

太原理工大学航空航天学院，中国太原 030024

摘要

通过真空热压烧结制备了TiC-WC/TiC-TiCN层压陶瓷（TWTTLCs），以提高层压陶瓷的弯曲强度和断裂韧性。全面研究了层厚比（LTR）对残余应力分布、微观结构演变和机械性能的影响。结果表明，残余应力在多层结构中呈交替分布，TiC-TiCN层主要承受拉应力，而TiC-WC层主要承受压应力。在TWTTLCs中，裂纹偏转、裂纹桥接以及混合的晶内和晶间断裂共同作用，抑制了裂纹扩展并耗散了大量断裂能量，从而提高了材料的弯曲强度和断裂韧性。随着LTR的增加，TWTTLCs的机械性能先提高后下降。当LTR为1时，陶瓷表现出更好的综合机械性能，其整体断裂韧性为8.9 ± 0.1 MPa·m^1/2，弯曲强度为1088 ± 5 MPa，表面硬度为18.7 ± 0.1 GPa。研究表明，层压结构显著改善了陶瓷材料的机械性能。

引言

由于其高硬度、高熔点和优异的化学稳定性[1]、[2]、[3]，TiC陶瓷被广泛应用于切割工具和高温工程部件等苛刻环境中。然而，其更广泛的应用受到低断裂韧性（FT）和低弯曲强度（BS）的限制[4]、[5]。为了克服这些限制，引入合适的添加剂相或采用层压结构已被证明是一种有效的方法。

为了进一步提高TiC陶瓷的BS和FT，研究人员将各种增强相（如碳化物[6]、[7]、[8]、氮化物[9]、[10]、[11]、[12]、硼化物[13]、[14]和金属[15]、[16]、[17]）引入TiC基体中。WC可以在烧结过程中有效抑制TiC晶粒的生长，从而形成更细的微观结构，进而提高陶瓷的维氏硬度和BS[18]。Foong L. K.等人[19]报告称，向TiC陶瓷中添加WC可以通过形成（Ti,W）C固溶体来增强硬度和BS，从而抑制裂纹扩展。Delbari S. A.等人[20]发现，WC的加入还能通过促进裂纹偏转和桥接来提高FT。TiCN具有显著的强度、高硬度和优异的耐热震性，是一种常用的增强材料，用于提高陶瓷的硬度和FT[21]。Sun N等人[22]发现，将TiCN引入Si₃N₄陶瓷中可以通过形成核/壳结构来提高其FT、硬度和相对密度，从而抑制裂纹扩展。根据切割工具的使用要求，表层设计为具有高硬度和强度，而底层则提供高FT和抗裂纹性能。因此，将WC和TiCN作为增强相引入基于TiC的层压复合材料中，可以实现机械性能的协同提升。

同时，层压复合技术也是通过形成残余压应力（RCS）和改变裂纹扩展路径来提高陶瓷机械性能的有效方法之一[23]、[24]。Liu C等人[25]通过真空热压烧结制备了Al₂O₃-ZrB₂-MgO/Al₂O₃-TiN-MgO层压复合材料；与整体Al₂O₃-TiN陶瓷相比，基于Al₂O₃的层压陶瓷的FT提高了约65%，硬度提高了29%。Wu等人[26]制备了SiAlON-SiC-SiCw/SiAlON-Al₂O₃层压陶瓷，发现形成的RCS显著提高了FT至6.02 MPa·m^1/2，BS提高了至602 MPa，优于整体SiAlON陶瓷。然而，关于TiC陶瓷层压结构的研究相对较少。

在这种情况下，层压陶瓷的结构参数对其机械性能的提高起着关键作用。通过调整层压陶瓷的LTR，可以改变陶瓷内部的RCS，从而提高其FT和BS[27]。随着LTR的增加，基于TiCN的层压陶瓷的BS和FT先提高后下降，当LTR为0.8时达到最大值（分别为1294 MPa和8.25 MPa·m^1/2[28]。TiB₂-TiC（TC）/TiB₂-TiN（TN）层压陶瓷在LTR为0.75时表现出最佳的整体机械性能；TC层的FT为6.5 MPa·m^1/2，TN层的FT为6.1 MPa·m^1/2，BS约为748 MPa[29]。与均匀的Al₂O₃-TiB₂陶瓷相比，具有最佳LTR的层压Al₂O₃基陶瓷的FT显著更高（8.65 MPa·m^1/2[30]。因此，制备具有不同LTR的层压陶瓷是提高其FT和BS的可行方法。

基于以上考虑，将通过真空热压烧结制备具有对称结构的TWTTLCs。将系统研究TWTTLCs的微观结构和机械性能，并使用有限元方法模拟残余应力分布。根据微观结构和裂纹扩展路径分析其增韧机制。

节选内容

TWTTLCs的材料组成和结构设计

图1展示了一种夹心结构的层压陶瓷（Φ 40 mm × 3 mm）。在此模型中，hTT表示TiC-TiCN层（TTL）的厚度，hTW表示TiC-WC层（TWL）的厚度。层厚比（LTR）定义为hTT/hTW。在实际烧结过程中，由于TiC基复合材料的强共价键特性，它们难以致密化。添加Ni和Mo促进了液相烧结，减少了内部孔隙率并提高了相对密度

残余应力分析

图4（A）展示了四分之一对称有限元模型的网格划分，而图4（B）-（F）显示了TWTTLCs中的理论残余应力（RS）分布。沿径向应力均匀分布，但在每层边缘存在明显的应力梯度。为了确保试样的准确测试，随后去除了边缘区域。RCS主要分布在TWL中，而RTS主要集中在TTL中，RCS和RTS沿轴向交替分布。

结论

成功制备了TWTTLCs，并研究了LTR对这些陶瓷的残余应力、微观结构和机械性能的影响。主要结果总结如下：

• (1)
  在TWTTLCs中，RCS和RTS沿轴向交替分布。随着LTR的增加，TWL中的RCS逐渐增加，而TTL中的RTS减少，RCS通过抑制裂纹起始和扩展有助于提高FT和BS。
• (2)
  XRD和EDS分析证实了

作者贡献声明

高娇娇：撰写——原始草案、方法论、资金获取、概念构思。 何学松：研究、数据管理、概念构思。 宋金鹏：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、数据管理。 王卓：撰写——审稿与编辑、形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52205492）、山西省基础研究计划（项目编号：202303021221037）以及山西省科技成果转化指导项目（项目编号：202204021301039）的支持。