1、原位合成 TiC/Fe表面梯度复合材料的研究摘要在机械、冶金、矿山开采、油气钻探等重工业领域，存在严重的设备磨损问题，这就要求机械零部件能够承受剧烈冲击、抗腐蚀、抗磨损。因此，能够采取一定的方法，在易磨损部件的表面生成一种或几种具有高硬度、高耐磨性的增强颗粒，已成为这些领域增强零部件、延长零件使用寿命的重要途径。陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料能够将陶瓷材料和钢铁材料的优点融为一体，是耐磨材料、摩擦材料、高温合金及工具材料的理想应用对象。原位反应技术利用热力学平衡原理在基体表面直接生成颗粒或片状增强体，从而比较好地解决了人工复合法中增强体与基体润湿困难、界面反应严重的问题；而且生成的增强体表面无污染
2、，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高等优点，已成为是当前金属基复合材料研究领域的一个热点。通过热力学计算和 Fe-Ti-C 相图分析，研究了原位生成 TiC 颗粒的生成条件及其长大机制；利用差热分析(DSC)、X 射线衍射仪(XRD) 、扫描电子显微镜(SEM)、点能谱（EDS）等测试手段对 Fe-Ti-C 体系的反应动力学过程、显微组织结构、显微硬度及磨损性能进行了系统深入的研究。研究结果表明：采取铸渗-热处理工艺，在基体表面原位生成工艺制备TiC/Fe 基表面梯度复合材料是可行的；生成的 TiC 硬质相，均匀分布于基体表面，并且其硬质相颗粒形貌逐渐趋近于四方状或球状，平均粒度在
3、为2-5m，并且与铁基体结合良好。热力学计算结果表明：通过在 1138温度下的热处理工艺在基体表面原位生成 TiC，该反应为：Ti+C=TiC，该反应能够自发进行。动力学分析结果表明，Ti-C 反应受动力学过程控制，C 的扩散速度影响该反应的快慢程度。TiC 颗粒的长大机制表明：当 Ti、C 原子浓度高时可生成稳定的TiC 晶核；当 Ti、C 原子浓度降低时生成的 TiC 不能以稳定晶核的形式存在，只能在已生成的晶核上按照 TiC 晶体的优先生长方向堆积、长大。TiC 颗粒按照小颗粒不断溶解，大颗粒相应粗化的模式长大，同时碳的浓度在一定程度上也影响了碳化钛颗粒的生长。利用显微硬度计对 TiC/
4、Fe 基复合材料的显微硬度进行了测量，实验结果表明：复合层硬度最高达 3231HV0.05，平均硬度是基体的 10 倍左右。利用国产 ML-100 干式销盘磨料磨损试验机对 TiC/Fe 基表面梯度复合材料的耐磨性进行测试，实验结果表明，相对于灰铸铁标准时样，碳化钛表面梯度复合材料最外层陶瓷层耐磨性提高了 27.91 倍，其余两层（颗粒层）分别提高约 20 倍（大颗粒区域） 、15 倍（小颗粒区域） 。关键词:原位反应、TiC 颗粒、铁基复合材料、显微微观、耐磨性AbstractThere are serious equipment wearing problems during the fi
5、eld of mine exploration, heavy metallurgy and gasoline drilling, which requires mechanical parts can endurance impact、corrosion resistance and wear resistance. The method of development high hardness and wear resistant particles on the internal components of equipments is a important way to repair a
6、nd prolong the equipments life. Particle reinforced iron matrix composites possessing the advantages of steel (or iron) matrix and ceramic particle reinforcements are the ideal choice for applications of wear resistant materials, refractory alloys and tool materials. The main advantage of in situ te
7、chnology is that the surface of reinforcements generated in situ tend to remain clean, i.e. free from gas absorption, oxidation or other detrimental surface reaction and the matrix-reinforcements interface bond therefore tends to be stronger. The method of in situ accounting to the principle of ther
8、modynamic equilibrium forms reinforcements in the matrix directly, and usually reinforcement is particle or piece. It resolves the problems that wettability is difficult and interface reaction is bad between reinforcements and matrix successfully, which often occurs the method of manual composite. S
9、o,the preparation of particle reinforced metal matrix composites used by the method of in situ has become one of interesting topics in the field of metal matrix composite materials. According to thermodynamic result and phase diagram, properties and formation condition of TiC particles were studied.
10、 The kinetics of Fe-Ti-C system, microstructure、mechanical properties、wear properties and tridimensional appearance of TiC particulates reinforced iron matrix composites were lucubrated systematically by means of various analytical techniques such as SEM,XRD, DSC.The result shows that: Taken to In-s
11、itu synthesized TiC particulate reinforced iron matrix composites with the method of casting and heat treatmentis is feasible. The TiC particles would be distribute . The TiC particles gradually become spherical morphology and with an average particle size for the 2-5m. The TiC particles combined we
12、ll with matrix. According to thermodynamics calculations result that the synthesis reaction of TiC can be carried forward spontaneously. Kinetics analyse results show that Ti-C reaction by the kinetic process control, the C atom diffusion controlling step for the reaction.TiC particles grow up a mec
13、hanism that: When the Ti, C atoms can form a stable high concentration of TiC nucleus; When Ti, C atoms decreases the concentration of the generated TiC can not form a stable nucleus can only have been generated TiC crystal nucleation in accordance with the priority on the growth direction of accumu
14、lation grew up. TiC particles continue to dissolve in accordance with small particles, large particles grew up in the corresponding mode of coarsening.The micro-hardness 、wear-resistance of TiC/Fe matrix composites have been analysed with HXD-1000、ML-100,the results indicate that the maximal microha
15、rdness is 3231HV0.05,and the average micro-hardness of composite region is10times more than matrix. The wear-resistance of the composites is 18times higher than the cast iron standard sample.Key words:In-situ，TiC particulates，Metalmatrix composites，Microstructure，Abrasive resistance.目 录摘要Abstract第一章
16、前言1.1 表面复合材料的研究进展1.2 本课题研究的目的、意义1.3 本试验研究的内容1.3.1 本研究课题的提出1.3.2 本课题主要研究的内容1.3.3 本课题主要创新点第二章试验方法2.1 试验材料 2.1.1 钛板2.1.2 基体2.2 研究方法及技术路线2.3 实验方法2.3.1 TiC/Fe 表面梯度复合材料的制备2.3.2 微观组织分析2.3.3 显微硬度测试2.3.4 磨损性能测试第三章 TiC/Fe 表面梯度复合材料微观组织及力学性能3.1 引言3.2 Fe-Ti-C 体系的 DSC 测试结果3.3 复合材料的 X 射线衍射物结果及分析3.4 复合材料在 SEM 下的组织分
17、析3.4.1 宏观形貌分析3.4.2 微观形貌分析3.5 复合材料显微硬度测试第四章 TiC/Fe 表面梯度复合材料磨损性能及磨损机理4.1 引言4.2 试验方法及条件4.2.1 试验装置4.2.2 试验方法4.3 不同体积分数 TiC 对复合材料磨损性能的影响4.4 不同粒度磨料对表面复合材料磨损性能的影响4.5 磨损表面形貌及机制第五章结论参考文献第一章前言1.1 表面复合材料的研究进展随着科学技术的大力发展，尤其是航空航天、汽车、钢铁、冶金、矿山、电力、煤炭工业等不断进步，对材料性能的要求也越来越高，单一的高强度、高模量、耐高温及低密度材料已远远不能满足高速发展的现实使用要求。为此，国内
18、外大量科研者采用各种不同技术将不同性能的材料复合起来，取长补短，得到了单一材料所无法比拟的、综合性能优越的新型复合材料。当前国内外主要应用的是表面复合处理技术，该技术是指将两种或多种表面技术以适当的顺序和方法复合在一起，或以某种表面技术为基础制造复合涂层的技术。表面复合处理技术有两层含义：一层是“膜层或涂层”的优化设计，特别是“多层膜层、膜系”的优化设计，使膜层材料或涂层材料“物尽其用” ；另一层含义是通过各种表面处理技术的优化组合，使各类表面技术“各展所长” 。单一的表面技术，往往有一定的局限，满足不了对材料使用的高性能要求 1-2。因此，表面处理技术给我们打开了一个研究发展方向，表面复合处
19、理技术主要有：（1） 多种金属元素的表面复合渗层或包覆层，即在金属材料表面扩散渗入两种以上的金属元素，称为共渗，以提高材料的综合性能，例如钢上渗铝，提高耐蚀性、耐热性；渗铬，提高硬度、耐磨性；钢上共渗铝铬，则使钢表而的耐蚀性、耐热性和耐磨性都有所提高。（2） 金属与微粒弥散陶瓷复合镀层，即将不溶的材料（例如：陶瓷）以微粒形式加进电镀槽，以常规方式进行电化学沉积，即可获得微粒弥散复合镀层。这类复合材料可以沉积在各种基体上，沉积层的厚度与微粒尺寸、微粒性质及所沉积金属的性质有关。（3） 形成各种功能的涂层体系，即有机涂层通常包括底层（提高结合力和抗蚀性，可通过磷化处理） 、中间层（增加屏蔽作用和功
20、能作用）和面层（满足功能要求，根据要求选择） 。（4） 电镀与有机涂层的复合。（5） 热喷涂与封闭和有机涂层的复合。（6） 热喷涂与激光重熔的复合，即采用激光重熔工艺可使等离子喷涂涂层表而光滑，孔隙度显著降低。（7） 表面强化与固体润滑的复合。（8） 多道工艺形成多层复合膜层。（9） 多种薄膜技术和改性技术的复合，其包括：离子束辅助沉积是把离子束注入与气相沉积镀膜技术相结合的复合表面离子处理技术、等离子体渗与气相沉积复合（PDPCVD ） 、激光与气相沉积技术复合（LCVD） 、喷丸与离子氮化复合处理。复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体原材料，通过复合工艺形成的材料。它克服了单一材
21、料的某些弱点，产生协同效应，使之综合性能优于原单一材料，从而满足各种不同产品的性能要求。与普通单一材料相比，其表面韧性、疲劳强度和耐磨性能显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。目前，金属基表面复合材料是我国应用较为广泛、发展迅速的复合材料。它采用金属或合金为基体，以粉末、颗粒、陶瓷等为增强体，通过合理的设计和良好的复合工艺，使基体和增强体之间取长补短，发挥了各自的性能及工艺优势 4-5。从 20 世纪 70 年代以来，国内外对颗粒增强金属基复合材料（MMCS）的研究主要侧重于传统的外加颗粒的方法，它存在以下不足：外加颗粒和基体的相容性（即润湿性）不好，且不可避免有表面污染和附着物，导致与基体的界面
22、结合不牢；外加颗粒的尖角对基体有割裂作用，可能导致裂纹，使材料断裂失效。因而，其增强效果不能得到理想的发挥。八十年代中后期，科学工作者发明了一种新工艺：原位自生复合法，又称原位内生复合法。其显著特点主要有：增强体是从金属基体内部原位形核长大的热力学稳定相，与基体结合良好；通过优化设计和工艺参数，可以得到不同尺寸、数量的增强体，还可调整它们的分布；节省了单独合成、加工、加入和分散增强体的工序，简化了工艺，减少了设备，降低成本；利用液态原位反应合成工艺，可铸造制备形状复杂的零件；原位合成的颗粒增强相无明显的尖角且颗粒尺寸较小等。它克服了外加颗粒的种种弊端，在当前材料制备中得到了飞速的发展，部分产品
23、已经达到实用化。常见的制备工艺还有：高能束表面原位熔覆法，该工艺是在铁基材料表面预置反应物料，然后借助激光、聚焦光束、等离子体等高能束的高能量作用引发反应原位合成增强相并熔覆在基体表面。涂覆铸造法，又称铸渗法，就是利用金属液的热量使铸型表面一定厚度的特殊涂层材料熔化、扩散进入金属液中生成弥散的增强相，得到表面增强复合材料；它是制备铸造表面复合材料最简单易行的办法，是提高铸件表面耐磨、耐蚀、耐高温等性能的有效途径。原位反应喷涂法，是在原位反应和热喷涂工艺的基础上发展起来的，与传统热喷涂的主要不同在于引进并强调了喷涂粉之间的反应，借助反应的高放热促进喷涂粒子和产物粒子的熔化，从而可获得常规方法难以
24、制备的高熔点的陶瓷或金属间化合物涂层，同时由于更多地利用反应体系中的高化学能，因而可实现低成本、高效能地制备高性能陶瓷基涂层。SHS 铸造技术，就是把 SHS（自蔓延高温合成）技术和传统的铸造技术相结合，将原始粉末混匀后压制成坯，放在铸型的一定部位，浇入熔融的金属液，利用它的热量使预制块发生 SHS 反应，生成大量的陶瓷颗粒，同时完成烧结的致密化，这样就在基体（金属液凝固而成）表面上形成复合层。离心自蔓延法，就是将自蔓延和离心铸造结合起来制备材料的一种方法。1.2 课题研究的目的、意义传统的金属材料相比，金属基复合材料往往具有更高的比强度(强度和密度之比) 、比模量( 模量和密度之比)，更好的
25、耐热性以及更低的热膨胀系数。迄今为止，由于金属基复合材料的制备工艺不完善、成本高等因素，导致难以大规模生产。基于此，本研究结合国内外相关的研究状况，总结分析了金属基复合材料的分类、性能特点、制备技术等方面的研究成果，重点评述金属复合材料的制备技术和目前存在的问题，并探讨了金属基复合材料未来的研究重点。越来越多的研究表明，耐磨材料需要同时具有高硬度和高韧性，整体复合虽提高了强度，却大大降低了韧性，而磨损只发生在零件的特定表面。此外，整体复合不利于材料的回收与再利用，造成浪费和污染。发展了在具有良好韧性的基材(如钢)的表面生成高硬度的耐磨层(如陶瓷或金属陶瓷，如 Al2O3、TiC、WC 等)的表
26、面复合材料，这种表面复合材料兼有良好的表面耐磨性和热稳定性，可满足实际工况对零件提出表面或局部耐磨的要求。1.3 本试验研究的内容1.3.1 本研究课题的提出本项目以矿山、电力、煤炭、冶金、石油等工况材料应用的存在高负荷、大能量冲击、严酷磨料磨损问题为研究背景，对铸渗复合原位合成合成 TiC 陶瓷增强金属基复合材料的制备工艺、TiC 增强体原位合成机理、复合材料高负荷大能量冲击失效机制及磨料磨损机制进行研究。利用微米级厚度为 300m 的 Ti 板，采取铸渗工艺与铸铁进行复合，再通过冶金原位反应合成工艺制备 TiC 陶瓷材料抗磨硬质相，在灰铸铁表面生成以高强度高买耐磨性的表面挺复合材料，以一定
27、体积分数的 TiC 颗粒为抗磨硬质相的陶瓷金属基表面梯度复合材料。本项目的研究，将促进 TiC 增强钢铁基表面梯度复合材料原位合成机理、表面复合材料不同形态陶瓷层磨损机理、成型工艺等方面的基础研究工作，构建出原位合成 TiC 增强钢铁基表面梯度复合材料理论及技术体系，特别对解决高消耗、大能量冲击、严酷磨料磨损工况条件下材料的应用问题产生深远的影响，促进高性能表面陶瓷层复合材料在磨损工况下的实际应用，具有重大的社会和经济意义。1.3.2 本课题主要研究的内容本实验研究的主要目的是采用铸渗-热处理工艺，制备出能够提高材料表面耐磨性的碳化钛增强铁基表面梯度复合材料，并深入研究增强体TiC 颗粒及致密
28、 TiC 陶瓷层对基体力学及磨损性能的影响，本文的研究内容可以归结为以下几个方面：1）用本方法成功制备出 TiC/Fe 基表面梯度复合材料；2）鉴定和分析原位合成 TiC/Fe 表面梯度复合材料的显微组织结构；用扫描电子显微镜分析表面梯度复合材料中 TiC 硬质相的微观形貌、尺寸、分布及 TiC 硬质相和 Fe 基体的界面结合情况 3；3）研究原位合成 TiC/Fe 基表面梯度复合材料的力学性能；用显微硬度计测量 TiC/Fe 基表面梯度复合材料的显微硬度。4)研究原位合成 TiC/Fe 表面梯度复合材料的磨损性能；对表面梯度复合材料进行磨粒磨损试验并分析磨损表面形貌，探讨TiC/Fe 基表面
29、梯度复合材料的磨损机理。1.3.3 本课题主要创新点1)首次提出以钛板和铸铁为原料，原位合成了 TiC/Fe 表面梯度复合材料；2)首次通过，在基体表面原位生成制备出了 TiC/Fe 表面梯度复合材料，研究了其反应机理和微观结构；3)本文系统的研究了 TiC/Fe 表面梯度复合材料磨损性能，从而进一步完善了 TiC/Fe 表面梯度复合材料研究内容。4)首次提出了 TiC 陶瓷层提高复合材料表面耐磨性，相对于普通硬质颗粒有了跟进一步的提高。通过上述研究为开发出高寿命、低成本、具有广泛应用前景的铸渗热处理工艺，原位生成 TiC 增强铁基表面梯度复合材料，提供科学理论依据与应用基础，并开发出具有自主
30、知识产权的，制备颗粒增强铁基复合材料的新途径。第二章 试验方法2.1 试验材料2.1.1 钛板本研究选用厚度为 250m 的高纯度钛板（纯度99.7%）为合成 TiC的钛源，为反应提供反应所需的 Ti 原子，钛板（如图 2.1）来自于宝鸡市天宇稀有金属有限公司。其成分见表 2.1。表 2.1 钛板的化学成份（wt.%）化 学 成 分牌号Fe C N H O TiTI1 0.07 0.02 0.02 0.001 0.11 余量2.1.2 基体基体是金属基复合材料的主体部分，它不仅起着固定增强相的作用，还起着分担、传递各种载荷的作用，金属基体的性能对复合材料的性能起着非常重要的作用，其密度、强度、
31、塑性、耐蚀耐热性能、导电导热性能等均能影响到复合材料的整体性能。在复合材料的基体选择中，铁基尚未引起人们的重视，应用有限。这主要是由于钢铁材料的比重大、熔点高、制造工艺复杂等原因。随着现代工业的飞速发展，在高温、高速和高耐磨下工作的情况越来越多，使得铁基复合材料的研究逐渐受到重视。以灰口铁 HT300（如图 2.2）作为基体因为它有一定的硬度和强度，能够支撑 TiC 颗粒，使 TiC 颗粒在承受载荷时不至于陷入基体中或直接被拔出。另一方面，灰口铁作为基体还具有一定塑性，这样在承受冲击时不至于发生脆性断裂。从材料制备的角度考虑，灰口铁基体在在液态或者熔融态具有较好的流动性，这样与增强相的结合更好
32、。从加工角度考虑，灰铸铁硬度应该适中，便于产品的机械加工。从以上角度考虑，使采用 HT300 作为基体（来自西安庆华铸造厂），铸铁成分见下表 2.2。HT300 硬度适中，具有一定塑性，成本较低，易于得到，应用广泛，且含碳量较高，能够提供足够的碳来合成 TiC。图 2.1 钛板图 2.2 灰铸铁表 2.2 灰铸铁 HT300 的化学成分（wt.%）化学成分 C Si Mn P S Fe含量 w% 3.45 0.56 0.268 0.224 0.024 余量2.2 研究方法及技术路线结合文献，本研究试图在铁基体表面原位合成 TiC 颗粒增强的表面梯度复合材料，其主要思路为：首先对本实验的可行性进
33、行验证分析，并且选择合理的工艺（铸渗-热处理） ，制备出表面复合材料，然后运用实验设备和技术手段对制备出的复合材料进行组织结构分析和性能测试并进行相关理论研究。下图 2.3 为本实验的研究流程图。差热分析选择反应体系及温度制备复合试样- 原位反应制备 TiC/Fe 基复合材料微观组织检测微区组织及机理分析分XRD 检测反应区成分硬度及耐磨性测试图 2.3 实验研究技术路线流程图2.3 实验方法2.3.1TiC/Fe 表面梯度复合材料的制备将 Ti 板固定在石墨坩埚内，石墨坩埚内部尺寸为 202020（如图2.4） ，用中频感应炉熔炼灰铸铁并浇铸到石墨坩埚中，浇铸温度14501550 ，冷却后脱
34、型清理，即可获得 TiC/Fe 复合试样。将该复合Co试样放入真空炉内 1138保温 8h，该温度是根据 DTA 温度确定出来的共晶点温度确定，加热完成后经炉冷至室温后取出，经不同目数的金相砂纸磨过及金相抛光机抛光后，用 4%的硝酸酒精溶液腐蚀，并烘干。图 2.4 石墨坩埚模型2.3.2 微观组织分析形貌观察在捷克的 VEGA3LMH 型扫描电子显微镜上进行，可进行材料样品的微观结构、形貌观测、异物分析、断口分析、粒径测量。并配有能谱分析析仪(EDS)，可对材料成分进行定性分析，并能对元素分布状态进行分析。技术指标：二次电子：3.0 nm（30kv）， 8.0 nm（3kv），背散射：3.5
35、nm（30kv），放大率：4X1000000。XRD 分析在日本理学 D 增强 max-RB 旋转阳极 X 射线衍射仪上进行。测试条件为：选用 CuK 射线，用单色器滤波(1.5481 )。射线管工作电压和电流分别为 40 kV 和 45 mA。结合 pdf2000 数据库对照复合材料中所有可能相的 pdf 卡片，软件 Jade 上完成衍射图中峰的标定，用背底剥离和自动匹配，完成复合材料的相分析。2.3.3 显微硬度测试显微硬度测试在 HDX-1000 型显微硬度计上进行，实验载荷定为0.05 kg，保荷时间为 10s。试样经抛光处理以后，对不同反应区及各反应区之间的结合处进行显微硬度测试，为
36、了使所测得的显微硬度更加准确，采用三条硬度曲线取平均值或者对每个反应区及各反应区之间的结合处分别抽取三个点进行测试，取算术平均值，试样的显微硬度值按照下面的公式进行计算（公式 2-1）：(2-1)式中，HV 是显微硬度(kg/mm 2)；P 是施加的载荷 (g)；d 是压痕对角线长度(m) 。2.3.4 磨损性能测试磨损试验磨损实验型号为 ML-100 型静载销盘磨损试验机上进行二体磨料磨损试验。用数控电火花切割机截取 4*25mm 的圆柱磨损试样，磨损试样经超声波清洗，放入干燥箱中烘干。磨粒选用同种目数不同目数（不同粒度）Al 2O3 砂纸，圆盘转速 60 r/min, 每次持续 2 min
37、，载荷为5N，研究同种载荷、同种磨料、不同粒度对表面复合材料的磨损性能的影响；选用同种磨料、同一载荷、研究表面梯度复合材料在不同体积分数TiC 下的磨损性能。用称重法称取磨损失重，用单位面积内的重量损失来考核复合材料的磨损率，单位面积上的质量损失越大，磨损率越大，耐磨性越差，对比试样为灰口铸铁。磨损性能评定计算采用如下公式（公式 2-2）：相对耐磨性 =标准试样磨损失重量/复合试样磨损失重量(2-2)式中 表示材料的相对耐磨性， 值越大，表明材料的耐磨性越好，反之 值越小，表示材料的耐磨性能越差。第三章 TiC/Fe 表面梯度复合材料微观组织及力学性能3.1 引言原位合成是通过化学反应来得到尺
38、寸细小均匀、界面干净、形状规则、热力学稳定、与基体金属结合牢固的硬质相颗粒。硬质相颗粒是否稳定存在、它的尺寸、形貌、它本身的晶体特征及同基体材料的金属学关系，是影响复合材料综合性能的主要因素。对于一个给定的反应，在指定条件下能否自动进行，向哪个方向进行，生成什么颗粒相，进行到什么程度，外界条件对反应有什么影响，如何控制外界条件使反应向预定的方向进行，反应过程中能量的变化关系怎样，这些问题的研究主要以热力学理论为基础，因此对原位合成反应热力学的理论计算有之间的反应制备碳化利于解释原位合成反应机理、反应产物的相组成、生长形态及工艺参数的控制，可以为实验研究提供有效的理论指导，同时也可以减少实验的盲
39、目性。所以对反应热力学的研究不仅具有重要的理论价值，而且具有实际意义。本章从热力学方面对利用钛、铁与碳钛颗粒增强铁基复合材料进行理论探讨。TiC 具有高熔点、高硬度和高脆性等优异的物理力学性能，并且相对于 V、Nb、Ta 等稀有金属， Ti 具有成本低廉等优点。因此，把 TiC 作为钢铁基复合材料的理想增强体，具有更广泛的实用性和指导意义。虽然在金属碳化物中 TiC 稳定性最好，硬度最高，但同时存在与铁的润湿性差，利用粉末冶金制备 TiC 烧结温度高，并且铁与钛的结合性能也不好；而采用原位合成 TiCP 增强钢铁基表面复合材料则不会遇到上述问题。本研究正是利用了原位合成方法制备碳化钛颗粒增强铁
40、基表面梯度复合材料，在基体表面生成了一层大约为 0.25mm 的 TiC 颗粒增强表面梯度复合材料层，并且对不同体积分数 TiC 颗粒层的形成过程进行了组织机理分析，整个实验过程利用 XRD、SEM（带 EDS）检测手段分析了 TiC 颗粒的合成和生长机制 6-11。3.2 Fe-Ti-C 体系的 DSC 测试结果3.2.1 实验材料及试样要求本实验采用的原材料为纯度为 99.7%钛板以及铸铁 HT300，实验钛板厚度为 0.25mm，具体成份见上一章表 2.1 和表 2.2 。利用数控电火花线切割制备尺寸为 222（单位：mm）的 Ti/Fe 小试样 ,进行 DSC(示差扫描量热法) 分析。
41、3.2.2DSC 结果分析用 SDTQ600 型综合热分析仪对 Fe-Ti-C 体系进行 DSC 分析，研究在加热下发生的反应过程，通过对热效应的测定，研究分析升温过程的转变和反应等。具体工艺为:在 Ar 气氛保护下，采用 A12O3 坩埚，试样采用222（单位： mm）的 Ti/Fe 复合小试样，以 10/min 的升温速度从室温升至 1200， Ar 气的流量为 100.0 ml/min。图 3.1 试样的差热分析曲线图 3.1 为试样的差热分析结果。由图可以看出，从 800至 1200有几个显著的热效应发生。首先是在 829.46出现一个吸热峰，之后在1078.4出现一个小的吸热谷，然后在 1137.86处出现一个强的尖锐的放热峰。经多次实验证明，在 1138处发生了 Ti+C=TiC 的反应。3.3 复合材料的 X 射线衍射物结果及分析由 XRD 谱图可以看出（如图 3.2） ，本实验制备出的 TiC 颗粒增强铁基表面梯度复合材料的相组成为 TiC 相、-Fe 相、石墨和渗碳体相，不存在单质 Ti 的衍射峰，可以推测，钛板已经完全反应。实验结果表明：Ti与碳的反应程度很高，且反应进行完全，没有找到单质 Ti 或其它杂志化合物的衍射峰。因此，可以初步判断，增强相以 TiC 的形式大量存在于该表面梯度复合材料中。图 3.2 TiC/Fe 表面梯度复
