一種Ti納米顆粒增強TiC‑Ni系金屬陶瓷的製備方法與流程

2023-12-10 07:52:43 1

本發明涉及利用納米改性和雷射燒結技術製備金屬陶瓷技術領域，具體是涉及一種ti納米顆粒增強tic-ni系金屬陶瓷的製備方法。

背景技術：

tic-ni金屬陶瓷具有耐磨性高、化學穩定性好以及導熱性良好等特點，在機械加工和模具等方面有廣泛的應用。然而，由於粘結相ni對tic潤溼性較差，很難燒結獲得高強度的tic-ni金屬陶瓷。目前，提高tic-ni金屬陶瓷的強度主要有以下幾種常用的方法。首先，利用wc和mo2c等高熔點化合物與tic在高溫液相燒結時發生固溶反應，在tic晶粒周圍形成(ti,w,mo,v,ta,······)c一層固溶體，從而可改善tic晶粒與ni之間的結合強度。然而，這種方法得到的金屬陶瓷晶粒通常較大，強度改善不明顯。其次，採用vc,和tac等晶粒生長抑制劑或採用tic納米粉體來製備細晶粒度tic-ni金屬陶瓷，也是改善強度的一個方法。但採用tic納米粉體後，在相同燒結溫度下，獲得燒結體的緻密度不高，對性能提高不明顯。此外，採用對tic潤溼性較好的金屬co來替代ni也是改善tic基金屬陶瓷性能的有效方法。然而，由於co要比ni昂貴，因此材料的製備成本較高，且co毒性較大，刀具在使用過程中，因不斷磨損流失的co可能對環境造成汙染。最後，通過熱壓、自蔓延高溫燒結以及等離子體燒結等一些先進特種燒結技術來改善金屬陶瓷力學性能。

近來，隨著納米科技的發展，採用納米添加手段或技術來改善一些傳統材料的性能研究已取得了一定的發展。例如，採用納米sic或si3n4可以提高si3n4陶瓷的強度和韌性；又如，niihara報導在al2o3基體中加入sic納米顆粒後可使材料的力學性能顯著提高。同樣，在ti(c,n)基金屬陶瓷製備過程中，諸如納米碳管cnts、sic納米晶須以及tin納米顆粒等也廣泛被用於改善ti(c,n)基金屬陶瓷的力學性能。本發明採用ti納米顆粒添加和快速雷射燒結技術來製備高性能tic-ni系金屬陶瓷。

技術實現要素：

本發明針對現有tic-ni系金屬陶瓷製備技術中的局限，提供一種原理簡單、燒結速度快和增強顯著的ti納米顆粒增強tic-ni系金屬陶瓷的製備方法。

為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案為：一種ti納米顆粒增強tic-ni系金屬陶瓷的製備方法，包括以下步驟：

①、將ti納米粉在無水乙醇超聲分散，然後將tic、ni微米粉也加入上述分散體系中，再超聲分散；

②、將上述分散後的粉體和乙醇一起轉入到聚四氟乙烯球磨罐中，並加入wc-co硬質合金磨球，之後，將其放置於球磨機上進行球磨混合，最後，將混合粉體過濾出並進行烘乾處理得到乾燥的混合粉體；

③、向上述乾燥混合粉體中加入汽油橡膠溶膠(將天然橡膠加入到120號航空汽油中，等橡膠完全溶解後攪拌均勻形成粘稠膠後即可使用)，研磨造粒處理；

④、稱取一定量造粒後的混合粉，加入到模具中，在壓力機下進行樣條壓坯成形處理；

⑤、將壓坯放在鋪有一層al2o3粉體的石墨基體表面，然後放在雷射燒結爐中進行雷射燒結，得到ti納米顆粒增強tic-ni系金屬陶瓷。

作為本發明的ti納米顆粒增強tic-ni系金屬陶瓷的製備方法的進一步優選技術方案，製備方法步驟①中ti納米粉的粒度為60～100nm，ti納米粉、ni微米粉在粉體中所佔的重量百分比依次為0～20％、5～15％，進一步優選10％、10％。步驟②中wc-co硬質合金磨球與粉體之間的重量比為0.2～0.5：1，球磨時間為30～60min。步驟③中汽油橡膠溶膠的溶度為0.05～0.5g/ml(即每1ml汽油溶解0.05～0.5g天然橡膠)，每100g粉料中的添加量為5～10ml。步驟④中壓力機下樣條壓坯成形的壓力為150～200mpa。步驟⑤中雷射燒結時間為20～40min，燒結溫度為1420～1480℃。

本發明通過納米金屬顆粒增強技術和雷射快速燒結技術，將添加的ti納米顆粒融入到ni粘結相中，提高了金屬粘結相ni的強度，從而提高了tic-ni系金屬陶瓷的抗彎強度和斷裂韌性，為製備高性能金屬陶瓷刀具提供了可能。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1).本發明實現了通過金屬ti納米顆粒為增強相，在雷射燒結後，得到了高性能tic-ni系金屬陶瓷，為高強度tic-ni金屬陶瓷刀具生產提供了一種新的途徑。

2).本發明原理簡單，整個製備過程簡單、燒結速率高、獲得的燒結體力學性能優異、可批量生成。

3).本發明獲得的tic-ni金屬陶瓷具有較高的抗彎強度和斷裂韌性，可望用於機械加工切削用刀具材料。

附圖說明

圖1為兩種金屬陶瓷的xrd譜圖((a)tic-20wt.％ni，(b)tic-10wt.％ni-10wt.％ti)；

圖2為ti納米顆粒增強tic-ni系金屬陶瓷的顯微組織和成分分析；

圖3為ti納米顆粒在tic-ni系金屬陶瓷粘結相中的分布及其能譜分析；

圖4為ti納米顆粒添加量對金屬陶瓷抗彎強度和斷裂韌性的影響分析((a)抗彎強度曲線，(b)斷裂韌性曲線)。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

本發明方法用於ti增強tic-ni系金屬陶瓷強度、顯微組織和組成的測試與表徵分別採用dcs-5000型萬能材料試驗機(shimadzudcs-5000universaltestingmachine)和場發射掃描電子顯微鏡(hitachisu8010)。

實施例1：ti納米顆粒增強tic-ni系金屬陶瓷的製備、物相分析與顯微組織觀察

①、將ti納米粉在無水乙醇超聲分散30分鐘左右，然後將tic、ni微米粉也加入上述分散體系中，再超聲分散20分鐘左右。ti納米粉、ni微米粉在粉體中所佔的重量百分比依次為10％、10％，ti納米粉的粒度為60～100nm。

②、將上述分散後的粉體和乙醇一起轉入到聚四氟乙烯球磨罐中，並加入wc-co硬質合金磨球，wc-co硬質合金磨球與粉體之間的重量比為0.35：1。之後，將其放置於球磨機上進行球磨混合30min，最後，將混合粉體過濾出並進行烘乾處理得到乾燥的混合粉體。

③、向上述乾燥混合粉體中加入汽油橡膠溶膠，研磨造粒處理；汽油橡膠溶膠的溶度為0.3g/ml，每100g粉料中的添加量為10ml。

④、稱取一定量造粒後的混合粉，加入到模具中，在壓力機下進行樣條壓坯成形處理，樣條壓坯成形的壓力為180mpa。

⑤、將壓坯放在鋪有一層al2o3粉體的石墨基體表面，然後放在雷射燒結爐中進行雷射燒結，雷射燒結時間為20min，燒結溫度為1446℃，得到ti納米顆粒增強tic-ni系金屬陶瓷。

⑥、將燒結後的金屬陶瓷樣條，分別經打磨、拋光和切割等處理後，在材料試驗機上測試其抗彎強度和韌性，利用電鏡觀察其斷口和內部顯微組織。

圖1為添加10％的ti納米粉和不添加ti納米粉得到的兩種金屬陶瓷的xrd譜圖，可以看出在燒結溫度為1446℃，燒結20min後，添加ti納米粉的樣品中，出了tic(no.870633)和ni(no.870712)標準衍射峰，還出現了金屬ti特徵峰(no.882321)，這初步說明了ti納米粉添加的tic-ni體系燒結後，ti納米顆粒可以被存於金屬陶瓷中。

圖2a是添加10％的ti納米粉的金屬陶瓷顯微組織的背散射圖(bse)，在sem觀察下，燒結後的金屬陶瓷顯微組織由斷續的灰色的區域和連續的白色的區域組成。為了進一步確認這兩種不同顏色區域的化學組成，我們對其進行了面掃描能譜分析，其結果如圖2b～d所示，比較可以進一步得出，斷續灰色的區域主要是由ti和c組成，結合圖1的xrd結果可認為灰色的顆粒為tic陶瓷相，而連續的白色的區域主要組成為ni，可以認為這是金屬粘結相ni。在bse模式下，tic和ni將呈現不同的顏色。由xrd結果可知，ti納米顆粒在燒結後可以存在於金屬陶瓷中，而在低放大倍數的bse模式下我們沒有觀察到ti納米顆粒的存在。為此，我們採用高倍模式來觀察金屬陶瓷的斷口形貌，其結果如圖3所示。ti納米顆粒添加的金屬陶瓷的燒結組織對強度和韌性影響很大。而燒結後，ti納米顆粒在金屬陶瓷基體中的形態、數量和分布等都將影響宏觀的性能。將金屬陶瓷彎斷後，通過其斷裂形貌和斷裂模式可以初步判斷其強度高低和韌性好壞。ti添加燒結後的金屬陶瓷斷口為沿晶斷裂模式(見圖3a)，可以看出，金屬ni粘結相被撕裂的痕跡。當粘結相ni被撕裂開來後，通過高倍模式電鏡觀察後發現，在ni金屬粘結相中分布著許多顏色較深的納米顆粒(見圖3b)，線掃描能譜進一步分析可知，這些顏色較深的嵌入在ni相中的納米顆粒主要組成為ti元素(見圖3c)。

實施例2

①、將ti納米粉在無水乙醇超聲分散30分鐘左右，然後將tic、ni微米粉也加入上述分散體系中，再超聲分散20分鐘左右；ti納米粉、ni微米粉在粉體中所佔的重量百分比依次為5％、15％，ti納米粉的粒度為60～100nm。

②、將上述分散後的粉體和乙醇一起轉入到聚四氟乙烯球磨罐中，並加入wc-co硬質合金磨球，wc-co硬質合金磨球與粉體之間的重量比為0.2：1。之後，將其放置於球磨機上進行球磨混合40min，最後，將混合粉體過濾出並進行烘乾處理得到乾燥的混合粉體。

③、向上述乾燥混合粉體中加入汽油橡膠溶膠，研磨造粒處理；汽油橡膠溶膠的溶度為0.05g/ml，每100g粉料中的添加量為10ml。

④、稱取一定量造粒後的混合粉，加入到模具中，在壓力機下進行樣條壓坯成形處理，樣條壓坯成形的壓力為170mpa。

⑤、將壓坯放在鋪有一層al2o3粉體的石墨基體表面，然後放在雷射燒結爐中進行雷射燒結，雷射燒結時間為20min，燒結溫度為1480℃，得到ti納米顆粒增強tic-ni系金屬陶瓷。

實施例3

①、將ti納米粉在無水乙醇超聲分散30分鐘左右，然後將tic、ni微米粉也加入上述分散體系中，再超聲分散20分鐘左右；ti納米粉、ni微米粉在粉體中所佔的重量百分比依次為15％、5％，ti納米粉的粒度為60～100nm。

②、將上述分散後的粉體和乙醇一起轉入到聚四氟乙烯球磨罐中，並加入wc-co硬質合金磨球，wc-co硬質合金磨球與粉體之間的重量比為0.5：1。之後，將其放置於球磨機上進行球磨混合50min，最後，將混合粉體過濾出並進行烘乾處理得到乾燥的混合粉體。

③、向上述乾燥混合粉體中加入汽油橡膠溶膠，研磨造粒處理；汽油橡膠溶膠的溶度為0.5g/ml，每100g粉料中的添加量為5ml。

④、稱取一定量造粒後的混合粉，加入到模具中，在壓力機下進行樣條壓坯成形處理，樣條壓坯成形的壓力為200mpa。

⑤、將壓坯放在鋪有一層al2o3粉體的石墨基體表面，然後放在雷射燒結爐中進行雷射燒結，雷射燒結時間為30min，燒結溫度為1450℃，得到ti納米顆粒增強tic-ni系金屬陶瓷。

實施例4

①、將ti納米粉在無水乙醇超聲分散30分鐘左右，然後將tic、ni微米粉也加入上述分散體系中，再超聲分散20分鐘左右；ti納米粉、ni微米粉在粉體中所佔的重量百分比依次為20％、5％，ti納米粉的粒度為60～100nm。

②、將上述分散後的粉體和乙醇一起轉入到聚四氟乙烯球磨罐中，並加入wc-co硬質合金磨球，wc-co硬質合金磨球與粉體之間的重量比為0.4：1。之後，將其放置於球磨機上進行球磨混合60min，最後，將混合粉體過濾出並進行烘乾處理得到乾燥的混合粉體。

③、向上述乾燥混合粉體中加入汽油橡膠溶膠，研磨造粒處理；汽油橡膠溶膠的溶度為0.45g/ml，每100g粉料中的添加量為7ml。

④、稱取一定量造粒後的混合粉，加入到模具中，在壓力機下進行樣條壓坯成形處理，樣條壓坯成形的壓力為150mpa。

⑤、將壓坯放在鋪有一層al2o3粉體的石墨基體表面，然後放在雷射燒結爐中進行雷射燒結，雷射燒結時間為40min，燒結溫度為1420℃，得到ti納米顆粒增強tic-ni系金屬陶瓷。

實施例5、ti納米顆粒添加量對金屬陶瓷抗彎強度和斷裂韌性的影響分析

前述初步證明，採用一定量的ti納米粉體添加可以改變tic-ni系金屬陶瓷的顯微組織和結構，而結構和顯微組織的改變都將影響金屬陶瓷的強度和韌性，為此，我們對不同ti納米粉體(實施例1-4分別對應ti納米粉體含量分別為10％、5％、15％、20％，對比例不添加ti納米粉體)添加下得到的金屬陶瓷的強度和韌性進行了測試和分析，實驗過程如下：

(1)本實驗中抗彎強度是按照gb-6569-86工程陶瓷彎曲實驗方法進行測試的，試樣尺寸為30mm×5mm×5mm，每組同成分的試樣均測試6個，然後去其算數平均值，其計算公式如下：

式中，p為最大斷裂載荷(n)，l為跨距(mm)，b為試樣寬度(mm)，h為試樣的高度(mm)。

(2)斷裂韌性採用單邊缺口梁法，其尺寸為30mm×5mm×2.5mm；每組同成分的試樣均測試6個，然後去其算數平均值，其計算公式如下：

式中，p為最大斷裂載荷(n)，l為跨距(mm)，b為試樣寬度(mm)，h為試樣的高度(mm)，a為預製裂紋長度(mm)，y為常數。

圖4為ti納米粉添加量對燒結金屬陶瓷的抗彎強度和斷裂韌性的影響。由圖可以看出，隨著ti納米粉添加量逐漸增加，抗彎強度和斷裂韌性都是逐漸增加的，當ti納米粉添加量為10％左右(實施例1)時，得到的金屬陶瓷強度和韌性都為最高，兩者最大值分別為2300mpa和19.5。隨後，隨著ti納米粉量進一步增加，金屬陶瓷的強度和韌性將逐漸下降。由上述可知，在其它條件都相同的條件下，採用10％左右ti納米粉添加後，金屬陶瓷的強度和韌性都將達到最高值。

以上內容僅僅是對本發明的構思所作的舉例和說明，所屬本技術領域的技術人員對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，只要不偏離發明的構思或者超越本權利要求書所定義的範圍，均應屬於本發明的保護範圍。