引用本文：

王超锋，陈义坤，刘华臣，杜学铭，姚振华.AlN含量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能的影响[J].机械工程材料，2021，45（3）：6-10.

Wang C F, Chen Y K, Liu H C, et al.Effect of AlN Content on Microstructure and Properties of Ti(C,N)-Based Cermet[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2021, 45（3）：6-10.

DOI：10.11973/jxgccl202103002

研究了AlN添加量(0，1%，2%，3%，质量分数)对Ti(C,N)基金属陶瓷硬度、抗弯强度以及抗氧化性能的影响。结果表明：不同AlN添加量下的金属陶瓷主要由Ti(C,N)、Ni3Al和镍相组成；随着AlN添加量增加，金属陶瓷的硬度增大，抗弯强度先增大后减小，AlN添加量为2%时达到峰值；与未添加AlN相比，添加2%AlN金属陶瓷的氧化质量增加较慢，氧化膜结构更致密，抗氧化性能更好。

1 试样制备与试验方法

试验原料为TiC粉末、TiN粉末、钼粉、WC粉末、镍粉、石墨粉和AlN粉末。按照表1进行配料。将粉末放入尼龙球磨罐中并加入无水乙醇，置于行星式球磨机中进行球磨混料，球磨转速220r·min-1，球磨时间48h，球料质量比7∶1。球磨后的混合粉末经80℃干燥和过200目金属筛后单向模压成型，压制压力为300MPa，将压坯放入气氛烧结炉内进行真空烧结，真空度10-4~10-2Pa，烧结温度1410℃，保温时间1h。

表1 4种金属陶瓷的原料配比（质量分数）

    在Ti(C,N)基金属陶瓷上截取尺寸为5mm×7mm×10mm的试样，经磨抛，在丙酮中超声波清洗后放入焙烧过的Al2O3坩锅中，然后置于高温电阻炉内，在1100℃下进行静态氧化，氧化时间为100h。在氧化过程中每隔一定时间取出试样，称取质量，计算单位面积质量增加。

    之后测试金属陶瓷的抗弯强度，跨距为20mm，下压速度0.5mm·min-1。采用洛氏硬度计测试金属陶瓷的硬度，载荷588N。采用X射线衍射(XRD)仪进行物相分析。采用扫描电子探针仪进行微观结构分析，并用附带的能谱仪分析微区成分。

2 试验结果与讨论

2.1 物相组成

     由图1可以看出：4种金属陶瓷主要由Ti(C,N)、Ni3Al和镍相组成。

图1 添加不同含量AlN金属陶瓷的XRD谱

2.2 显微组织

    由图2可以看出，不同AlN含量金属陶瓷均主要由黑色芯相Ti(C,N)、灰色环形相多元固溶体和白色黏结相镍组成，AlN的添加没有明显改变金属陶瓷的显微组织；随着AlN含量增加，黑色芯相的比例明显下降，尺寸减小。结合图1分析可知，虽然AlN的添加量较少，但在烧结过程中仍形成了少量的Ni3Al相，弥散均匀地分布在黏结相中。由图3可以看出，镍与铝元素的偏聚位置一致(见椭圆区域)，表明在烧结过程中，引入的铝元素会与镍元素结合，在镍含量远高于铝含量的情况下，结合产物为Ni3Al相。由于Ni3Al的熔点比镍的低，在相同的烧结温度下，液相烧结阶段产生的液相更多，促进了烧结体的致密化。

图2 添加不同含量AlN金属陶瓷截面的背散射形貌

图3 添加2%AlN金属陶瓷截面的铝和镍元素面分布

2.3 力学性能

     由图4可以看出，随着AlN含量增加，金属陶瓷的硬度增大，抗弯强度先增大后减小，在AlN质量分数为2%时达到峰值2121MPa。Ni3Al的生成促进了烧结体的致密化，在一定程度上提高了金属陶瓷的强度和硬度，但过量的Ni3Al会降低黏结相和芯相之间的润湿性，因此当AlN质量分数为3%时，金属陶瓷的抗弯强度下降。

图4 金属陶瓷的抗弯强度和硬度随AlN含量的变化曲线

2.4 氧化行为

     由图5可以看出：未添加和添加质量分数2%AlN的金属陶瓷的单位面积质量增加量均随氧化时间的延长而增加；AlN质量分数为2%时，金属陶瓷的单位面积质量增加曲线变化规律符合抛物线规律，增加的速率随氧化时间的延长而减小，在100h时趋于平缓；2%AlN金属陶瓷的单位面积质量增加比未添加AlN的小，说明AlN的添加提高了金属陶瓷的抗氧化能力。

图5 未添加和添加2%AlN金属陶瓷的单位面积质量增加随氧化时间的变化曲线

      由图6可以看出：高温氧化1h后，未添加和添加2%AlN金属陶瓷表面均存在NiO、TiO2和NiTiO3相，添加2%AlN金属陶瓷表面还存在NiAl2O4相；氧化时间为6h时，未添加AlN金属陶瓷表面的各衍射峰强度没有明显变化，但添加2%AlN金属陶瓷表面NiO衍射峰的相对强度明显降低，NiAl2O4衍射峰明显增强，NiAl2O4相结构较NiO的致密，因此NiAl2O4的增加有利于陶瓷表面氧化膜致密性的改善。氧化时间达到24h时，添加2%AlN金属陶瓷表面的主要物相为TiO2，此外还有少量的NiO和NiTiO3，表明氧化后期主要为钛原子的氧化。

图6 未添加和添加2%AlN金属陶瓷氧化不同时间后的XRD谱

     由图7可以看出：氧化100h后，未添加AlN金属陶瓷表面的氧化膜分布不均，呈区域性岛状氧化，结构疏松，氧化膜底部呈龟裂状，导致基体与氧元素在高温下进一步结合；添加2%AlN金属陶瓷表面的氧化膜分布均匀，呈整体式氧化，结构和组织完整致密，未观察到明显缺陷。这种氧化膜能有效减少氧元素和陶瓷基体元素的进一步接触，金属陶瓷表现出更好的抗氧化性。

图7 未添加AlN和添加2%AlN金属陶瓷氧化100h后的表面SEM形貌

     由图8可以看出，未添加AlN金属陶瓷的氧化膜厚度在30μm左右，氧化膜内部存在较多缺陷，表层不平整；而添加2%AlN金属陶瓷的氧化膜厚度在15μm左右，氧化膜内部的缺陷较少，表层较为平整。

图8 未添加和添加2%AlN金属陶瓷氧化24h后的截面SEM形貌

     由图9可以看出，添加2%AlN金属陶瓷表层铝、镍的含量变化较为一致，表明形成了铝镍复合氧化物，与EDS面扫描结果一致。金属氧化物与金属原子的体积比(PB)过高时容易导致氧化膜开裂。铝元素的PB值仅为1.28，而镍及钛元素的分别为1.52及1.77，因此局部生成的Al2O3能有效缓解氧化物TiO2之间的热应力引起的开裂行为，从而改善了金属陶瓷表面氧化膜的致密性，提高了金属陶瓷的抗氧化性能。

图9 添加2%AlN金属陶瓷表层EDS线扫描结果

3 结论

      (1) 添加不同含量AlN后的Ti(C,N)金属陶瓷主要由Ti(C,N)、Ni3Al和镍相组成；随着AlN含量增加，金属陶瓷的硬度增大，抗弯强度先增大后减小，在AlN添加量为2%时达到峰值，为2121MPa。

     (2) 添加2%AlN金属陶瓷的氧化质量增加曲线满足抛物线规律，添加2%AlN金属陶瓷的氧化质量增加较未添加AlN的低，氧化膜结构更致密，表层更平整，抗氧化性能更好。