TiC/Al2O3/Fe复合陶瓷基复合材料的制备方法 (一)技术领域
本发明涉及一种制备高致密度TiC/Al2O3/Fe复合陶瓷基复合材料的方法。属于材料加工工程技术领域。
(二)背景技术
TiC/Al2O3/Fe复合陶瓷基复合材料具有高熔点、耐腐蚀性、抗氧化性、较好的韧性而被广泛地应用于高温结构部件，例如高温点火器、高温管和切削刀具等。过去采用热压烧结技术生产该材料。存在对设备要求高，浪费能源等缺点。迫切需要一种高效节能新工艺。自蔓延高温合成(SHS)技术是一种利用自身化学放热反应，在短时间里(几秒～几十秒)完成材料合成的高效节能技术。但是，直接采用此方法合成材料，只能得到疏松、多孔的块状料或粉料。通常采用反应热压技术提高其致密性。即当SHS反应刚刚完成，合成材料处于红热、软化状态时，对其施加外部压力，以实现材料致密化。外力的施加方式可以是气压、液压、爆炸压和锻压、机械模压、热轧和热挤等。
(三)发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种对设备要求低，节约能源，致密度高的TiC/Al2O3/Fe复合陶瓷基复合材料的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：一种TiC/Al2O3/Fe复合陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于所述方法包括以下工艺过程：首先，根据Ti与C反应合成TiC的原理，将Ti与C按原子比1∶1配制后造粒，再利用铝热反应原理，按方程式Fe2O3+2Al＝Al2O3+2Fe+828.894(kJ)配制铝热焊剂，再按比例将已经颗粒化的钛、石墨粉的混合物与铝热焊剂充分混匀后用液压机压制成预制块，将模锻模具固定在液压机上，然后放入预制块，采用电阻丝短路方法在下部点燃预制块，使其发生钛粉与石墨和氧化铁与铝两种自蔓延反应，生成液态Fe、Al2O3和TiC颗粒，在Fe/Al2O3/TiC混合物凝固过程中进行模锻，使其在压力下结晶，从而获得高致密度复合陶瓷基复合材料。
本发明涉及的铝热焊剂，以Fe2O3+2Al＝Al2O3+2Fe+828.894(kJ)铝热反应方程为基本配方，根据复合材料对高温强度、硬度、韧性、耐蚀性、耐冲击、热震性等单一或综合性能要求不同，添加合金元素，调整复合自蔓延反应材料配方。
本发明涉及的Ti与C可发生自蔓延反应的配方为：两者地。反应产物中的三氧化二铝颗粒以及碳化钛颗粒硬度高，耐磨性好。
本发明采用的是多级自蔓延反应热压技术制备TiC/Al2O3/Fe复合陶瓷基复合材料，本发明的有益效果是：
1、节能：铝热及碳化钛的反应均属于自蔓延反应，可以充分利用化学反应本身放出的热量，在合成过程中温度可达1500-4000℃；
2、高效：无需热量从外部传递到物料的过程，反应速度一般为0.1-20cm/s：
3、设备小、精度高、质量好：在合成过程中，燃烧前沿温度极高，可蒸发掉挥发性的杂质，因而产物通常是高纯度的。反应后的一段时间内产物具有触变性，流动性好，液态模锻致密化装置吨位小、致密化的复合材料密度高、质量好；
4、降低了成本：与单纯使用碳化钛材料相比这里采用的原材料更廉价，且设备简单、工艺节能、材料利用率高。
5、铝热反应产生的陶瓷高温性能突出、化学稳定性好、硬度高、韧性好，同时结合有碳化钛陶瓷的优势性，且反应较容易控制；
6、材料可设计：可通过加入填料改性，使堆焊层材料具有可设计性；
7、在Fe2O3和Al粉末的混合块反应后生成液相，显著提高了材料的致密度及与相互间的结合强度。
8、TiC颗粒的存在，使Al2O3颗粒在Fe中的分布均匀。
(四)具体实施方式
本发明涉及一种TiC/Al2O3/Fe复合陶瓷基复合材料的制备方法，其典型的实施例是：首先，按原子比为1∶1的配比配制的钛粉与石墨粉充分混合，然后对混合的粉末造粒，再按方程式Fe2O3+2Al＝Al2O3+2Fe+828.894(kJ)将粒度为20-30目的铝粉与粒度小于100目的氧化铁粉充分混和成铝热焊剂，加入已经颗粒化的钛、石墨粉的混合物，充分混合2～4小时，制成混合粉末，采用液压机将混合粉末压制成预制块(50％理论密度)，并将模具固定在液压机上，在模具内放入预制块，采用电阻丝短路方法点燃预制块，使预制块发生两种自蔓延反应，生成铁水和三氧化二铝颗粒以及碳化钛颗粒。在铁/三氧化二铝/碳化钛陶瓷混合物凝固过程中进行致密化加压，使其在压力下结晶，从而获得高密度复合材料。