原位熱壓燒結工藝製備緻密ZrO₂/Ti₂AlN複合材料的製作方法

2023-06-06 01:56:26

專利名稱：原位熱壓燒結工藝製備緻密ZrO2/Ti2AlN複合材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及新型結構材料領域，特別是涉及一種原位熱壓燒結工藝製備&02/ Ti2AlN複合塊體材料的方法。
背景技術：
氮化鋁鈦(Ti2AlN)陶瓷是一種具有六方結構的三元層狀化合物，具有非常特別的 性質。它既有陶瓷的耐高溫抗氧化、耐腐蝕等性能，又具像金屬一樣的機械可加工性、抗熱 震性、高溫塑性、導電、導熱等，同時還有較好的自潤滑性，有的報告稱還有熱電性。因此，實 際上是一類兼有功能——結構一體化的化合物。在民用機電行業及軍工領域均有廣泛的應 用前景，對它們的研究受到特別的重視。但Ti2AlN的硬度較低(3. 5GPa)，耐酸鹼性能較差，力學性能較差，極大地限制了其 作為結構材料和功能材料使用範圍。目前研究的重點是關於單相塊狀[文獻(1 4)]和 薄膜[文獻(5 7)] Ti2AlN的製備，而未見有關提高Ti2AlN塊體材料的斷裂韌性及耐腐蝕 性的報導。氧化鋯(&02)具有高強度、高硬度、耐高溫、耐酸鹼的特點，同時具有良好的導電 性能，其在高溫結構材料、耐腐蝕以及電氣材料中有著廣泛的應用前景。氧化鋯有兩種變 體，1000°C時由單斜晶系轉變為四方晶系，此晶型轉變為可逆轉變，冷卻過程中，晶型轉變 伴有7%的體積膨脹，可以提高材料的緻密度，對材料內部的裂紋產生壓應力，阻礙裂紋的 擴展，提高材料的韌性，是一種重要的相變增韌材料。更為重要的是&02的熱膨脹係數與 Ti2AlN相近，分別為9. 4 X ΙΟΙ1和8. 8 X ICT6IT1tj因此在Ti2AlN中引入適量的ZrO2顆粒作 為增強相，將有助於改善Ti2AlN材料的性能，獲得兼具兩者優點的複合材料。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供原位熱壓燒結工藝合成緻密&02/Ti2AlN復 合材料的方法。所製得的產品兼具&02和Ti2AlN兩者的優點，從而克服現有技術中存在的 問題。本方法工藝簡單，原位合成方法能夠獲得均勻的顆粒分布和良好的界面結合。本發明解決其技術問題採用以下的技術方案本發明提供的原位熱壓工藝合成的緻密&02/Ti2AlN複合材料，其由包括稱 取Ti粉、Al粉、TiN粉、ZrO2粉原料，原料混合，以及將混合均勻的原料粉末置於石 墨模具中在真空下進行熱壓燒結而成。其中所述Ti粉、Al粉和TiN粉的摩爾比為 η (Ti) η (Al) η (TiN) = 1 (0. 8 1. 4) 1，ZrO2 粉的摻入量為 5 40vol %。本發明提供的原位熱壓工藝合成緻密&02/Ti2AlN複合材料的方法，是採用包括 以下步驟的原位熱壓工藝1)按上述緻密&02/Ti2AlN複合材料的配比稱取Ti粉、Al粉、TiN粉和&02粉。2)將稱取的原料粉末混合均勻後，置於石墨模具中，在真空熱壓燒結系統中進行 燒結，真空度為10_2Pa。
3)燒結步驟為以5 80°C /min的升溫速率升至1200 1450°C，保溫1 8小 時，壓力為20 80Mpa。4)燒結完成後，在真空環境下，關掉電源，自然冷卻。本發明原位反應製備方法的基本原理是利用外界加熱和Ti、Al之間反應所放出 的大量熱，使系統溫度升高，一部分TiN溶解在TiAl基液體中。放熱反應結束後，系統溫度 隨之下降，三元相Ti2AlN析出，與未參與反應的&02在外壓力作用下緻密化，從而原位得到 ZrO2Ai2AlN複合塊體材料。


附圖1為熱壓燒結工藝製備&02/Ti2AlN複合材料試樣的X射線衍射圖譜(XRD)。 附圖2為熱壓燒結工藝製備&02/Ti2AlN複合材料試樣的掃描電鏡照片(SEM)。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步說明。附圖1為熱壓燒結工藝製備&02/Ti2AlN複合材料試樣的X射線衍射圖譜(XRD)。 燒結試樣中除Ti2AlN和&02外，未見其它雜質。圖譜中Ti2AlN為主相，&02為增強相，兩 種物質的衍射峰尖銳，說明兩者的晶體均發育良好。附圖2為熱壓燒結工藝製備&02/Ti2AlN複合材料試樣的掃描電鏡照片(SEM)。 Ti2AlN為片狀形貌，厚度尺寸和長度尺寸分別為5-8 μ m和10-15 μ m,晶粒發育完善，具有 明顯的層狀結構特徵JrO2為尺寸1_2μπι的四方小顆粒。兩種晶相發育良好，原位技術使 得兩相界面結合良好。本發明提供熱壓燒結工藝合成的緻密&02/Ti2AlN複合塊體材料，其原料組成及 成分範圍為以Ti粉、Al粉、TiN粉的摩爾比是為n(Ti) η(Al) η(TiN) = 1 (0. 8 1.4) 1，粉的摻入量為5 40vol%。本發明採用包括以下步驟的熱壓燒結工藝合成&02/Ti2AlN複合塊體材料，具體 是1)按上述緻密&02/Ti2AlN複合塊體材料的配比稱取Ti粉、Al粉、TiN粉和&02 粉。2)將稱取的原料粉末混合均勻後，置於石墨模具中，在熱壓燒結系統，真空環境中 進行燒結，真空度10_2Pa。3)燒結步驟為以5 80°C /min的升溫速率升至1200 1450°C，保溫1 8小 時，壓力為20 80Mpa。實施例1 原料粉末按摩爾比為 n(Ti) η(Al) η(TiN) = 1 0. 8 1, ZrO2 粉的摻入量為10vol% ；混合均勻，放入石墨模具中，在熱壓燒結系統中進行燒結，真空度為 10_2Pa。升溫速度為200°C以前5°C /min，200°C以後60°C /min，燒結溫度1200°C，保溫4小 時，壓力40MPa。塊體材料的緻密度為96. 5%，在INSTR0N-1195萬能力學實驗機上測得，材 料的抗壓強度彡900MPa，三點彎曲強度σ b彡500MPa, Kic彡9MPa · m"2。實施例2 原料粉末按摩爾比為n(Ti) η(Al) η(TiN) =1:1: 1，&02粉 的摻入量為15vol% ；混合均勻，放入石墨模具中，在熱壓燒結系統中進行燒結，真空度為10_2Pa。升溫速度為2000C以前50C /min,200°C以後60°C /min，燒結溫度1300°C，保溫2小 時，壓力30MPa。塊體材料的緻密度為97%，在INSTR0N-1195萬能力學實驗機上測得，材料 的抗壓強度彡900MPa，三點彎曲強度σ b彡500MPa, Kic彡9MPa · m"2。實施例3 原料粉末按摩爾比為 n(Ti) η(Al) η(TiN) = 1 1. 2 1, ZrO2 粉的摻入量為20vol% ；混合均勻，放入石墨模具中，在熱壓燒結系統中進行燒結，真空度為 10_2Pa。升溫速度為200°C以前5°C /min，200°C以後60°C /min，燒結溫度1350°C，保溫1小 時，壓力30MPa。塊體材料的緻密度為97. 5%，在INSTR0N-1195萬能力學實驗機上測得，材 料的抗壓強度彡900MPa，三點彎曲強度σ b彡500MPa, Kic彡9MPa · m"2。實施例4 原料粉末按摩爾比為 n(Ti) η(Al) η(TiN) = 1 1. 4 1, ZrO2 粉的摻入量為40vol% ；混合均勻，放入石墨模具中，在熱壓燒結系統中進行燒結，真空度為 10_2Pa。升溫速度為2000C以前50C /min, 200°C以後60°C /min，燒結溫度1400°C，保溫6小 時，壓力40MPa。塊體材料的緻密度為98%，在INSTR0N-1195萬能力學實驗機上測得，材料 的抗壓強度彡900MPa，三點彎曲強度σ b彡500MPa, Kic彡9MPa · m"2。以上材料的抗壓強度、三點抗彎強度和斷裂韌性的測試在INSTR0N-1195萬能材 料實驗機上進行。三點抗彎強度測試時，試條加載速率為0.5mm/min，跨距為25mm。斷裂韌 性採用單邊切口梁法測定，切口在試條長度方向的正中，深度為2. 5mm，支座跨距為20mm， 加載速率為0. 5mm/min。三元層狀化合物在稀硝酸中的耐腐蝕性能最差，所以配置了(11. 6% )的HNO3溶 液作對比實驗。在相同的熱壓燒結工藝條件下合成的Ti2AlN及&02/Ti2AlN複合材料，在 硝酸溶液中兩個月後的腐蝕失重分別為52X IO3 μ g/cm2，26. 5X IO3 μ g/cm2。&02/Ti2AlN復 合材料的耐HNO3腐蝕性能優於Ti2AlN單相材料。所得複合材料經高溫氧化增重試驗，恆溫氧化和循環氧化試驗均在普通箱式高 溫爐的空氣中進行。恆溫氧化溫度為900-1300°C，氧化總時間為20h ；循環氧化溫度為 1100，1200，1300°C，循環次數為30次。試樣冷卻後用精確度為士 10_4g的分析天平秤重。 1300°C恆溫氧化試驗測得，單相和複合材料兩者的氧化拋物線速率常數分別為5. 62X ΙΟ"9 和2. 10X10_9kg2/m_4 μ—1 ； 1300°C恆溫氧化試驗測得，單相和複合材料兩者的氧化拋物線速 率常數分別為3. 23X ΙΟ"9和1. 87X 10-9kg2/nT4 .s—1。ZrO2Ai2AlN複合材料的耐氧化性能優 於Ti2AlN單相材料。
權利要求
一種原位熱壓燒結工藝合成的緻密ZrO2/Ti2AlN複合塊體材料，其由包括稱取Ti粉、Al粉、TiN粉和ZrO2粉為原料，原料混合，以及將混合均勻的原料粉末置於石墨模具中進行真空熱壓燒結而成，其特徵在於所述Ti粉、Al粉和TiN粉，其摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶(0.8～1.4)∶1，ZrO2粉的摻入量為5～40vol％。
2.一種原位熱壓燒結工藝合成緻密&02/Ti2AlN複合塊體材料的方法，採用包括以下 步驟的原位熱壓燒結工藝1)按配比稱取Ti粉、Al粉、TiN粉和ZrO2粉；2)將稱取的原料粉末混合均勻後，置於石墨模具中，在熱壓燒結系統，真空環境中進行 燒結，真空度為KT2Pa;3)燒結步驟為以5 80°C/min的升溫速率升至1200 1450°C，保溫1 8小時， 壓力為2O 8OMpa ；其特徵在於所述Ti粉、Al粉和TiN粉，其摩爾比為n(Ti) η (Al) η (TiN)= 1 (0.8 1.4) 1，ZrO2 粉的摻入量為 5 40vol%。
3.根據權利要求2所述的熱壓燒結工藝合成緻密&02/Ti2AlN複合塊體材料的方法， 其特徵在於原料的摩爾比η (Ti) η (Al) η (TiN) = 1 0. 8 1，&02粉的摻入量為 IOvol %。
4.根據權利要求2所述的熱壓燒結工藝合成緻密&02/Ti2AlN複合塊體材料的方法， 其特徵在於原料的摩爾比為H(Ti) η(Al) η(TiN) =1:1: 1，&02粉的摻入量為 15vol%。
5.根據權利要求2所述的熱壓燒結工藝合成緻密&02/Ti2AlN複合塊體材料的方法， 其特徵在於原料的摩爾比為n(Ti) η(Al) η(TiN) = 1 1. 2 1，&02粉的摻入量 為 20vol%。
6.根據權利要求2所述的熱壓燒結工藝合成緻密&02/Ti2AlN複合塊體材料的方法， 其特徵在於原料的摩爾比為n(Ti) η(Al) η(TiN) = 1 1. 4 1，&02粉的摻入量 為 40vol%o
全文摘要
本發明是原位熱壓燒結工藝合成緻密ZrO2/Ti2AlN複合塊體材料。原料組成及成分範圍為以Ti粉、Al粉、TiN粉的摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶(0.8～1.4)∶1，ZrO2粉的摻入量為5～40vol％。本材料由原位熱壓燒結工藝製成，其步驟包括按配比稱取原料，原料混合均勻後，置於石墨模具中，在熱壓燒結系統中的真空環境下進行燒結，真空度為10-2Pa；升溫速度為5～80℃/min，燒結溫度為1200～1450℃，保溫1～8小時，壓力為20～80Mpa。合成產物兼具Ti2AlN和ZrO2兩者的優點，合成的ZrO2/Ti2AlN複合材料比單相Ti2AlN具有更好的力學性能和耐腐蝕耐氧化性能。
文檔編號C04B35/645GK101948313SQ20101025919
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月20日 優先權日2010年8月20日
發明者嚴明, 常鷹, 彭少賢, 蔣久信, 陳豔林 申請人:湖北工業大學