含粘结剂的陶瓷金属间化合物复合材料及制备方法.pdf

本发明涉及一种含粘结剂的陶瓷-金属间化合物复合材料及制备方法。金属粘结剂为总量的重量百分比小于20，原位陶瓷颗粒为TiB2和TiC中的一种或两种，总量的重量百分比小于20，两者的总量的重量百分比小于40。制备步骤：1)将Cu、Ni、Fe、Al、Cr、B、C、Si和Ti粉作为反应物，按照一定比例混合并压制成坯；2)将压坯在氩气氛围中采用电阻丝加热进行预热；随后继续利用电阻热进行加热，直至其发生燃烧合成反应；3)反应结束后，进行加压，使之致密化，形成含金属粘结剂的原位陶瓷增强金属间化合物复合材料。优点是复合材料具有高强度，高硬度等优异性能，且制备工艺简便、设备简单、能耗低，易于推广应用。

1.  一种含粘结剂的陶瓷-金属间化合物复合材料，其特征在于，复合材料由金属粘结剂、原位陶瓷颗粒和金属间化合物Ti₅Si₃组成；所述金属粘结剂为Cu、Ni、Fe、Al、Cr中的一种或几种，其中，金属粘结剂含量重量百分比为：Cu 1-15，Ni 0-5.0，Fe 0-5.0，Al 0-3.0，Cr 0-5.0，且金属粘结剂的总量的重量百分比小于20；所述原位陶瓷颗粒为TiB₂和TiC中的一种或两种组成，其中，原位陶瓷颗粒含量的重量百分比为：TiB₂ 1-15，TiC 0-5，且原位陶瓷颗粒的总量的重量百分比小于20；金属粘结剂和原位陶瓷颗粒的总量的重量百分比小于40，其余为金属间化合物Ti₅Si₃。

2.  根据权利要求1所述的含粘结剂的陶瓷-金属间化合物复合材料，其特征在于，所述的原位陶瓷颗粒TiB₂和TiC是由B粉、C粉和Ti粉通过化学反应原位形成，Ti₅Si₃金属间化合物是由Ti粉和Si粉通过化学反应形成，原位陶瓷颗粒和金属间化合物之间的结合为冶金结合。

3.  根据权利要求1所述的含粘结剂的陶瓷-金属间化合物复合材料，其特征在于，所述的原位陶瓷颗粒TiB₂的形状为六棱柱状，TiC的形状为近球状，且二者的尺寸均为亚微米级。

4.  根据权利要求1所述的含粘结剂的陶瓷-金属间化合物复合材料，其特征在于，所述的金属粘结剂的最佳重量百分比为5-10，原位陶瓷颗粒的最佳重量百分比为3-10。

5.  一种用于权利要求1所述的含粘结剂的陶瓷-金属间化合物复合材料的制备方法，其特征在于，该复合材料的制备过程包括以下步骤：
1)压坯制备：
a.压坯组成：由粉料粒度小于45微米的Cu粉、Ni粉、Fe粉、Al粉、Cr粉、B粉、C粉、Si粉和Ti粉组成，其中，金属粘结剂含量重量百分比为：Cu 1-15，Ni 0-5.0，Fe 0-5.0，Al 0-3.0，Cr 0-5.0，B粉的重量百分比为0.31-4.67，C粉的重量百分比为0-1.00，Si的重量百分比为15.62-25.52，其余为Ti粉；
b.粉料混合：按照上述比例称取粉料，并装入球磨机中混料6～8小时，使之混合均匀；
c.压坯成型：把混合均匀的粉料放入模具中，压制成型，且压坯紧实率为65～75％；
2)反应形成添加金属粘结剂的原位陶瓷增强金属间化合物复合材料：
a.预热：将反应物压坯放置在燃烧合成装置中，抽真空后通入1个大气压的高纯氩气进行保护，用电阻丝将反应物压坯加热到500-600度进行预热，并保温20-30分钟；
b.反应：继续利用电阻热对压坯进行加热，直至其发生燃烧合成反应；
c.致密化：在燃烧合成反应结束后，对压坯施加20-30兆帕的压力，并保压5-25分钟，使之致密化，形成添加金属粘结剂的原位陶瓷颗粒增强金属间化合物复合材料。

含粘结剂的陶瓷-金属间化合物复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料领域，特别是涉及一种添加金属粘结剂的原位陶瓷增强金属间化合物复合材料及其制备方法。
背景技术
难熔Ti₅Si₃是一种高温金属间化合物，因具有很好的热力学稳定性、良好的高温强度和抗蠕变性能，及优良的高温抗氧化能力和耐腐蚀性能而备受关注。然而，阻碍Ti₅Si₃应用的最大难题在于其极低的室温脆性和断裂韧性。经众多科技工作者的研究发现，合金化和复合化是解决Ti₅Si₃脆性问题的有效途径。目前，虽然有关进行有效合金化和复合化以期解决材料脆性研究较多，但是以金属作为粘结剂的原位陶瓷增强金属间化合物复合材料的研究相对较少。发表在“Scripta Materialia，1998，38：307-313”和“Acta Materialia，1998，46：3535-3546”上的研究论文表明由于固溶强化作用，添加Nb或Cr形成(Ti，M)₅Si₃固溶体可使材料的机械性能明显提高。发表在“Metallurgical and Materials Transactions A，1998，29：1629-1641.”的研究论文显示，体积百分比为20的TiC和Ti₅Si₃的复合材料的断裂韧性约为4.1MPa·m^1/2，这比单相Ti₅Si₃的室温断裂韧性提高了近一倍；此外，陶瓷TiB₂、TiC具有高熔点、高硬度、低密度和良好的导热性等优异性能，因此，TiB₂和TiC非常适合作为Ti₅Si₃的增强体。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简便、能耗低，且易于推广应用的一种含粘结剂的陶瓷-金属间化合物复合材料及制备方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：在高纯氩气的保护下，将一定比例的由Cu粉、Ni粉、Fe粉、Al粉、Cr粉、B粉、C粉、Si粉和Ti粉组成的反应物压坯放置在燃烧合成装置内进行燃烧合成反应。在反应结束后，对压坯进行加压致密化，继而制备出添加金属粘结剂的原位陶瓷增强金属间化合物复合材料。具体工艺过程包括压坯的制备和反应形成含金属粘结剂的原位陶瓷增强金属间化合物复合材料两个阶段。
一种含粘结剂的陶瓷-金属间化合物复合材料，复合材料由金属粘结剂、原位陶瓷颗粒和金属间化合物Ti₅Si₃组成；所述金属粘结剂为Cu、Ni、Fe、Al、Cr中的一种或几种，其中，金属粘结剂含量重量百分比为：Cu 1-15，Ni 0-5.0，Fe 0-5.0，Al 0-3.0，Cr 0-5.0，且金属粘结剂的总量的重量百分比小于20；所述原位陶瓷颗粒为TiB₂和TiC中的一种或两种组成，其中，原位陶瓷颗粒含量的重量百分比为：TiB₂ 1-15，TiC 0-5，且原位陶瓷颗粒的总量的重量百分比小于20；金属粘结剂和原位陶瓷颗粒的总量的重量百分比小于40，其余为金属间化合物Ti₅Si₃。
所述的原位陶瓷颗粒TiB₂和TiC是由B粉、C粉和Ti粉通过化学反应原位形成，Ti₅Si₃金属间化合物是由Ti粉和Si粉通过化学反应形成，原位陶瓷颗粒和金属间化合物之间的结合为冶金结合。
所述的原位陶瓷颗粒TiB₂的形状为六棱柱状，TiC的形状为近球状，且二者的尺寸均为亚微米级。
所述的金属粘结剂的最佳重量百分比为5-10，原位陶瓷颗粒的最佳重量百分比为3-10。
一种用于上述的含粘结剂的陶瓷-金属间化合物复合材料的制备方法，该复合材料的制备过程包括以下步骤：
1)压坯制备：
a.压坯组成：由粉料粒度小于45微米的Cu粉、Ni粉、Fe粉、Al粉、Cr粉、B粉、C粉、Si粉和Ti粉组成，其中，金属粘结剂含量重量百分比为：Cu 1-15，Ni 0-5.0，Fe 0-5.0，Al 0-3.0，Cr 0-5.0，B粉的重量百分比为0.31-4.67，C粉的重量百分比为0-1.00，Si的重量百分比为15.62-25.52，其余为Ti粉；
b.粉料混合：按照上述比例称取粉料，并装入球磨机中混料6～8小时，使之混合均匀；
c.压坯成型：把混合均匀的粉料放入模具中，压制成型，且压坯紧实率为65～75％；
2)反应形成添加金属粘结剂的原位陶瓷增强金属间化合物复合材料：
a.预热：将反应物压坯放置在燃烧合成装置中，抽真空后通入1个大气压的高纯氩气进行保护，用电阻丝将反应物压坯加热到500-600度进行预热，并保温20-30分钟；
b.反应：继续利用电阻热对压坯进行加热，直至其发生燃烧合成反应；
c.致密化：在燃烧合成反应结束后，对压坯施加20-30兆帕的压力，并保压5-25分钟，使之致密化，形成添加金属粘结剂的原位陶瓷颗粒增强金属间化合物复合材料；
本发明与目前现有的技术相比具有以下特点：
本发明提供一种工艺简单可靠、节省能源且易于推广应用的添加金属粘结剂的原位陶瓷增强金属间化合物复合材料及其制备方法；
1)添加金属组元能有效减小晶粒尺寸，且反应结束后作为粘结剂，存在于晶粒之间，改善晶粒的链接方式，有利于降低材料的室温脆性。
2)复合材料中原位陶瓷颗粒和金属间化合物为冶金结合，界面干净，结合良好。
具体实施方式
实施例一
1)将粉料粒度小于45微米的Cu粉、B粉、Si粉和Ti粉组成按表1所示的比例称取，并装入球磨机中混料6～8小时，使之混合均匀；然后把粉料放入模具中，压制成坯，压坯紧实率为65～75％；
2)将压坯放置在燃烧合成装置中，抽真空后通入1个大气压的高纯氩气进行保护，用电阻丝将反应物压坯加热到500-600度进行预热，并保温25分钟；
3)继续利用电阻热对反应物压坯加热，直至其发生燃烧合成反应；
4)在燃烧合成反应结束后，对压坯施加20-30兆帕的压力，并保压5-25分钟，使之致密化，从而制备出添加金属粘结剂的原位陶瓷增强金属间化合物复合材料。
             表1 反应物粉料配制比例

实施例二
1)将粉料粒度小于45微米的Cu粉、Ni粉、Al粉、B粉、C粉、Si粉和Ti粉组成按表2所示的比例称取，并装入球磨机中混料6～8小时，使之混合均匀；然后把粉料放入模具中，压制成坯，压坯紧实率为65～75％；
2)将压坯放置在燃烧合成装置中，抽真空后通入1个大气压的高纯氩气进行保护，用电阻丝将反应物压坯加热到500-600度进行预热，并保温25分钟；
3)继续利用电阻热对反应物压坯加热，直至其发生燃烧合成反应；
4)在燃烧合成反应结束后，对压坯施加20-30兆帕的压力，并保压5-25分钟，使之致密化，从而制备出添加金属粘结剂的原位陶瓷增强金属间化合物复合材料。
             表2 反应物粉料配制比例