一种TIBSUB2/SUB基金属陶瓷复合材料及其制备方法.pdf

一种TiB2基金属陶瓷复合材料及其制备方法
    技术领域：本发明涉及一种TiB2基金属陶瓷复合材料及制造方法，特别是一种具有密度小、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、低变形、高抗热冲击性和耐冲刷的TiB2基金属陶瓷复合材料和制取方法。

    背景技术：由于TiB2陶瓷具有某些独特的物理化学性能，例如：高温硬度极高、密度和电阻率低、弹性模量高、热传导性好、与金属的粘着性和摩擦系数低、抗氧化性高、化学稳定性好等，因而被认为是制造新一代金属陶瓷的很有发展前途的硬质相。现有的TiB2基金属陶瓷复合材料中用来粘结硼化物的主要金属有Fe、Ni、Co、Cr、Mo或者它们的合金。但是几乎所有的作为金属陶瓷粘结相的金属与TiB2都发生强烈的化学反应而导致金属陶瓷变脆；另外由于自扩散系数低，使得TiB2的可烧结性受到很大影响，因而TiB2基金属陶瓷的研究进展缓慢。目前在TiB2基金属陶瓷中，研究较多的是TiB2-Fe、TiB2-FeMo、TiB2-Fe-Cr-Ni等金属陶瓷，但由于这类材料强度较低、脆性较大，不适于在热冲击载荷下使用。

    发明内容：为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种具有高强度、高导电率、耐高温和抗热冲击的TiB2基金属陶瓷复合材料及其制备方法。本发明的TiB2基金属陶瓷复合材料由以下重量百分比地成份组成：TiB230～90wt％、Cu10～70wt％和Ni0～10wt％。本发明的TiB2基金属陶瓷复合材料由两个组分构成，即作为基体材料的TiB2陶瓷和作为粘结相的金属，用纯Cu或Cu-Ni合金作为TiB2基金属陶瓷复合材料中的金属粘结相。所述陶瓷相基体还可以是TiC、ZrC或ZrB2。所述金属陶瓷的绝热温度为1800～2000K。所述Cu和Ni的总重量百分比含量小于70wt％。本发明的TiB2基金属陶瓷复合材料的制备方法是按如下步骤进行的：(1)按以下重量百分比称取原料：Ti20.68～62.03wt％、Cu10～70wt％、Ni0～10wt％和余量的B，并将原料进行干燥；(2)将原料进行干混；(3)将混合料烘干后在35～45MPa的压力下冷压制成相对密度为55～60％的预制坯；(4)将预制坯放入反应器中，用Ti和B4C为点火药，通过引燃点火药激发预制坯的自蔓延燃烧合成反应；(5)燃烧反应结束后迅速施加150～200MPa的压力，一步实现材料致密化。在上述第(1)步骤中，Ti粉和B粉按燃烧合成反应的摩尔比1∶2进行配料。本发明的TiB2基金属陶瓷复合材料的制备方法是自蔓延高温燃烧合成法(SHS法)，该方法是利用物质间的化学反应放出的热量，使合成反应自行持续进行直至反应结束，从而在很短的时间内合成出所需材料的一种新方法。在上述金属粘结相所占重量比的范围内，随着金属粘结相所占比例的增加，TiB2基金属陶瓷复合材料的导电率相应提高，拉伸强度和弯曲强度也相应提高，但是材料的软化温度降低。调节金属粘结相在复合材料中所占的比例，即可做出具有不同性能的TiB2基金属陶瓷复合材料。本发明中制备方法的优点是：该方法制备金属陶瓷是将陶瓷相合成与材料复合一体化，与传统的粉末冶金等其它方法相比，它有其独特的优点：陶瓷粒子原位生成，避免了其它方法中外加陶瓷粒子所产生的污染，且粒子大小和分布较均匀；反应温度高、反应速度快，因而制备的材料中粒子尺寸较小；陶瓷相在金属相内生成使其与被反应热所熔化的金属相具有更好的粘结效果和界面结合，强韧性更好。另外，它的成本比传统方法要降低一倍以上。正因为如此，这种TiB2基金属陶瓷复合材料才具有较高的综合性能。本发明所提供的TiB2基金属陶瓷复合材料可以用于继电器或高压开关的电触头、Gleeble热模拟机的高温压头、高速铁路的电摩擦功能材料、集成电路片、电焊电极以及其他导电材料等。该发明是一项可带来不可估量经济效益的技术，由于其具有设备简单、工艺过程极为简便、能耗低、生产率高、成本低等一系列优点，因而具有重大的技术意义和经济、社会意义。该发明可推广应用于其他一些硼化物和碳化物基金属陶瓷复合材料的制备与加工领域。

    具体实施方式一：本实施方式的TiB2基金属陶瓷复合材料由以下重量百分比的成份组成：TiB252wt％、Cu40wt％和Ni8wt％。其制造方法是：(1)将原材料B粉放入干燥箱中90℃下烘干24小时，Ti粉、Cu粉和Ni粉则在干燥箱中90℃干燥2～4小时；(2)按计算好的配比称量若干克原材料放入不锈钢球磨罐中混合24小时；(3)混合料经过90℃下8小时烘干后，称量250克装入冷压模具中，40MPa压力下压制成直径为55mm，高为35mm，相对密度为55～60％的圆柱状预制坯；(4)将预制坯放入反应器中；(5)通过引燃Ti和B4C的点火药激发预制坯的自蔓延燃烧合成反应；(6)燃烧反应结束后迅速施加180MPa左右的高压压力，一步实现材料致密化。

    具体实施方式二：首先分别将原材料Ti粉、Cu粉和B粉在水循环干燥箱中90℃温度下真空干燥24小时，按TiB2-40wt％Cu配比称量Ti粉、Cu粉和B粉配置好混合料，在不锈钢球磨罐中干混24小时，混合好的粉末再放入水循环干燥箱中在90℃温度下，真空干燥8小时，然后放入钢模中40MPa压制成相对密度为55％～60％之间的预制坯。然后放入自蔓延高温合成反应器模具中，通过加热电阻丝引燃点火剂，激发Ti和B的自蔓延燃烧反应，待反应刚结束产物仍处于红热软化状态时，迅速施加一个180MPa高压压力，并保压5～20s，反应产物取出放入砂中冷却，冷却后，即可得到TiB2-40wt％Cu基复合材料。

    具体实施方式三：首先分别将原材料Ti粉、Cu粉、Ni粉和B粉在水循环干燥箱中90℃温度下真空干燥24小时，按TiB2-30wt％Cu-6wt％Ni称量Ti粉、Cu粉、Ni粉和B粉配置好混合料，在不锈钢球磨罐中干混24小时，混合好的粉末再放入水循环干燥箱中在90℃温度下，真空干燥8小时，然后放入钢模中40MPa下压制成相对密度为55％～60％之间的预制坯。然后放入自蔓延高温合成反应器模具中，通过加热电阻丝引燃点火剂，激发Ti和B的自蔓延燃烧反应，待反应刚结束产物仍处于红热软化状态时，迅速施加一个180MPa高压压力，并保压5～20s，反应产物取出放入砂中冷却，冷却后，即可得到TiB2-30wt％Cu-6wt％Ni基复合材料。