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宏觀組織

試樣在1160℃保溫1 h 反應(yīng)形成TaC/ Fe 梯度復(fù)合材料。宏觀觀察發(fā)現(xiàn)：反應(yīng)層梯度明顯、過渡均勻，與基體結(jié)合良好，無明顯的剝落現(xiàn)象。整個擴(kuò)散反應(yīng)過程反應(yīng)區(qū)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

對復(fù)合材料試樣進(jìn)行XRD 分析。反應(yīng)區(qū)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(kuò)散反應(yīng)很充分，有大量的C 擴(kuò)散并參與反應(yīng)。

對反應(yīng)區(qū)域長方體顆粒及正方體顆粒進(jìn)行點能譜分析。分析結(jié)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， 在隨后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(rèn)為長方體和正方體顆粒均為TaC， 而沒有中間產(chǎn)物Ta2C。

微觀組織

對TaC 表面梯度復(fù)合材料進(jìn)行微觀組織形貌分析。分別是TaC梯度復(fù)合材料宏觀組織的A 層、B層和C 層的微觀組織形貌。A 層的顆粒團(tuán)聚緊密，反應(yīng)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(yīng)層為納米TaC 層；B 層已出現(xiàn)方形顆粒雛形，顆粒連接交織，未分散。其大小在微米級范圍內(nèi)， 因此稱此反應(yīng)層為微米TaC 層；C層顆粒處于與基體結(jié)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，并且顆粒在反應(yīng)區(qū)邊緣完全分散，因此稱此反應(yīng)層為TaC 分散層 [2]  。

顯微硬度

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對TaC 表面梯度復(fù)合材料從表面到基體進(jìn)行了顯微硬度的測試。從表面開始每隔50μm 進(jìn)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 表面梯度復(fù)合材料的表面顯微硬度值最高達(dá)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(xiàn)降低的趨勢，但其顯微硬度仍可達(dá)到灰口鑄鐵基體的5.5～7.0 倍。

反應(yīng)過程

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根據(jù)實驗過程中產(chǎn)物的形態(tài)和分布， 建立鉭板在鑄鐵基體中的液固反應(yīng)過程模型。模型分為以下幾個步驟： 反應(yīng)初期、反應(yīng)生成熔融[TaC]、反應(yīng)生成TaC、反應(yīng)生成TaC 分散層和完全反應(yīng)。

從反應(yīng)模型中可知， 在反應(yīng)過程中基體中的原子需穿過基體層才能到達(dá)界面反應(yīng)處。其反應(yīng)的過程為：反應(yīng)初期C 原子通過擴(kuò)散到達(dá)Ta 板表面，與Ta 板表面熔融的[Ta]結(jié)合；由于Ta 對C 有極強(qiáng)的親和力，當(dāng)Ta、C 相遇時發(fā)生原位反應(yīng)生成[TaC]共熔體；基體中的C 繼續(xù)擴(kuò)撒與[TaC]共熔體結(jié)合，當(dāng)其濃度在熔體中達(dá)到飽和時析出碳化物TaC 顆粒，形核長大，而未與共熔體[TaC]結(jié)合的C 則繼續(xù)向Ta 板表面擴(kuò)散，與Ta 板表面熔融[Ta]進(jìn)行原位反應(yīng)生成[TaC]共熔體；由于TaC 的晶形屬于面心立方，C 因其比面心立方中四面體空隙和八面體空隙都小的優(yōu)勢，可通過TaC 層擴(kuò)散至[TaC]共熔層，與[TaC]共熔體發(fā)生原位反應(yīng)生成TaC 顆粒，同時C也擴(kuò)散至已經(jīng)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(yīng)，直至Ta 板完全反應(yīng)。簡而言之，鉭與碳之間的原位反應(yīng)過程經(jīng)過了溶解-擴(kuò)散-原位反應(yīng)-再擴(kuò)散的過程 [3]  。

總結(jié)

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(1) 用Fe 作為基體，Ta 板作為增強(qiáng)相，在1160℃下保溫1 h 利用鑄造-熱處理工藝成功地制備了TaC 表面復(fù)合材料。

(2) 原位復(fù)合方法制備的TaC 表面復(fù)合材料可形成明顯的梯度變化，其顆粒呈現(xiàn)出從小到大的分布， 根據(jù)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(jié)合處過度均勻；反應(yīng)層與基體結(jié)合處形成了良好的冶金結(jié)合。

(3) TaC 層的顯微硬度最高值達(dá)到2123HV0.02，并且隨距表面距離的增加，呈現(xiàn)降低的趨勢，但仍可達(dá)到鑄鐵基體的5.5～7.0 倍。

(4) 初步機(jī)理分析認(rèn)為， 鉭與碳之間的原位反應(yīng)過程經(jīng)過了溶解-擴(kuò)散-原位反應(yīng)-再擴(kuò)散的過程 [3]  。