專利名稱：低溫無壓燒結制備致密Ti的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鈦鋁碳化物陶瓷的低溫無壓燒結制備方法，屬特種陶瓷材料制備工藝技術領域。
背景技術：
鈦鋁碳化物陶瓷是一種新型的三元碳化物材料，它集金屬與陶瓷的優點于一身，具有高導熱率、高導電率、耐熱沖擊、自潤滑、可機械加工、優異的高溫強度與韌性、優異的化學穩定性和耐高溫氧化腐蝕等性能。這種新材料已引起研究者的高度重視和極高的研究興趣，其可用作受流摩擦部件、導電陶瓷件、耐腐蝕部件等。
1994年，Pietzka和Schuster(J.Phase Equilib，1994[15]392)通過在1300℃的氫氣煅燒Ti粉，TiAl粉，Al4C3粉與C粉的混合物生坯首先合成了多孔的鈦鋁碳化物。2000年Tzenov等人(J.Am.Ceram.Soc，2000[83]825)采用Ti粉，Al4C3粉與C粉為原料，采用熱等靜壓(HIP)燒結法，在1400℃下70MPa熱等靜壓16小時，原位合成了含4％氧化鋁的致密Ti3AlC2塊體材料，并對該材料的性能進行了研究。2003年周延春等人(2003年5月14日，[21]ZL專利號00123203.7)以金屬Ti粉，金屬Al粉和C粉用原位熱壓/固-液反應方法熱壓0.5～4小時，也合成了高致密的Ti3AlC2塊體材料樣品。隨后，快速等離子體燒結與在壓力輔助下的燃燒合成等方法也被用于制備Ti3AlC2塊體材料。然而，所有這些材料均是在外部壓力輔助下得到的，不僅設備昂貴，而且合成溫度高、保溫時間長，因此所制備的材料成本高、生產效率低并且難以制備大尺寸形狀復雜的陶瓷制品。此外，由于金屬鋁與鈦的熔點差異太大，因此在制備Ti3AlC2塊體材料的過程中往往選擇價格昂貴的Al4C3陶瓷粉或者在模具中首先合成Ti3AlC2然后在相對低的溫度下燒結致密。這進一步增加了材料的制備成本或者增加Ti3AlC2塊體材料制備工藝的復雜性。因此，從工業應用的角度，市場迫切需要開發一種制造成本低廉的低溫無壓燒結的方法制備Ti3AlC2陶瓷材料。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中Ti3AlC2陶瓷材料燒結溫度高，燒結時間長，工藝復雜，制備成本高等的缺點，實現Ti3AlC2陶瓷材料的低溫無壓燒結。本發明的又一目的在于提供一種低溫無壓燒結制備致密Ti3AlC2陶瓷的方法。
本發明提供一種低溫無壓燒結制備Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟a.機械合金化過程將高純度的鈦、鋁和石墨按摩爾比3∶1∶2的化學計量配比進行配料，另以Al的摩爾量為基準加入0.3～0.6mol的Sn或Si或Al粉作為燒結助劑；將配合料放在球磨罐內，采用不銹鋼球或硬質合金球，球與料的重量比為10∶1～30∶1；球磨罐抽真空或抽真空后充氬氣或氮氣惰性氣體；高能球磨機的轉速為200～350rpm；在室溫下球磨10～60小時，得到混合均勻的納米級超細粉末；b.燒結過程將上述的納米級超細粉末在乙醇介質中再次球磨3小時；然后烘干后加入適量PVB作為粘結劑，并進行造粒處理；將造粒后的粉體倒入鋼模中或塑料橡膠模套中，在冷等靜壓機上制成生坯，生坯經排膠后放入高溫爐中，在真空或氬氣或氮氣惰性氣體保護下進行燒結，燒結溫度為1250～1500℃，并在該溫度下燒結2～6小時，最終得到致密度大于98％的Ti3AlC2陶瓷。
所述的燒結溫度最適宜為1350℃，最適宜燒結時間為3小時。
本發明中原料金屬鈦粉，也可以用含鈦的合金粉或碳化物粉取代，如Ti-Al合金粉或TiC碳化物粉；原料金屬鋁粉也可以用含鋁合金粉或碳化物粉取代，如Al-Ti合金粉或Al4C3碳化物粉。
本發明方法的機理如下本發明首先采用機械合金化過程，先制得以納米TiC為主相的混合粉，而該TiC具有高燒結活性，有助于Ti3AlC2陶瓷材料的低溫無壓燒結。在機械合金化的初期，鈦/鋁/碳復合粉與燒結助劑Al粉或Si粉或Sn粉經反復地冷焊-斷裂過程，顆粒尺寸不斷減小，同時在機械力撞擊下粉體之間會發生固體化學反應，形成以TiC和Al4C3為主的碳化物和金屬的合金相；這些新形成的物相在隨后的機械合金化過程中不斷受到擠壓和沖擊，發生了嚴重的塑性變形，晶粒尺寸不斷減小，同時在晶粒上引入了大量的應變、缺陷和納米級的微結構。這些因素均會使粉體具有良好的燒結活性，可使后期燒結溫度降低，并可獲得尺寸分布均勻、具有致密超細結構的陶瓷塊體。
本發明與現有Ti3AlC2陶瓷材料制備技術相比，具有以下優點(1)所用的原材料為Ti、Al、C，其價格較低廉，避免了使用TiC、Al4C3、Ti-Al等昂貴的粉體材料，因而制品成本低廉。
(2)燒結溫度低，燒結時間短，燒結溫度最低可至1250℃，低于傳統普通采用的熱壓燒結溫度1450℃。
(3)本發明的工藝簡單，且避免了傳統使用的較為復雜的熱等靜壓和熱壓制備工藝過程。
(4)由于采用低溫無壓燒結工藝，使得所制備的陶瓷制品的形狀與尺寸可以突破熱等靜壓和熱壓工藝中模具尺寸與形狀的限制，可以制備大尺寸和復雜形狀的構件。
具體實施例方式
現將本發明的具體實施例敘述于后。
實施例1按摩爾比3∶1.3∶2稱取純度99.99％的Ti粉6.9434g、純度99.99％的Al粉1.6954g、純度99.99％的C粉1.1611g；Al粉中已計入0.3mol的燒結助劑；采用硬質合金球，球料比為30∶1；將球與配合料放入球磨罐內，并抽真空后充氬氣惰性氣體；高能球磨機的轉速為300rpm；在室溫下球磨30小時，得到混合均勻的納米超細粉末。將該超細粉末在乙醇介質中再次球磨3小時；然后烘干，加入PVB粘結劑，進行造粒處理；將造粒后的粉體倒入鋼模中，在50MPa壓力下預先壓制成型，然后在100MPa壓力下在冷等靜壓機上壓制成生坯，生坯經排膠后放入高溫爐中，在氬氣保護氣氛下進行燒結，燒結溫度為1350℃，并在此溫度下燒結3小時，然后隨爐冷卻，最終得到密度和純度均大于98％的Ti3AlC2陶瓷。
實施例2按摩爾比3∶1.6∶2稱取純度99.99％的Ti粉6.9434g、純度99.99％的Al粉2.0822g、純度99.99％的C粉1.1611g；Al粉中已計入0.6mol的燒結助劑；采用硬質合金球，球料比為20∶1；將球與配合料放入球磨罐內，并抽真空后充氬氣惰性氣體；高能球磨機的轉速為250rpm；在室溫下球磨60小時，得到混合均勻的納米超細粉末。將該超細粉末在乙醇介質中再次球磨3小時；然后烘干，加入PVB粘結劑，進行造粒處理；將造粒后的粉體倒入鋼模中，在50MPa壓力下預先壓制成型，然后在100MPa壓力下在冷等靜壓機上壓制成生坯，生坯經排膠后放入高溫爐中，在氬氣保護氣氛下進行燒結，燒結溫度為1300℃，并在此溫度下燒結2小時，然后隨爐冷卻，最終得到密度和純度均大于98％的Ti3AlC2陶瓷。
實施例3按摩爾比3∶1∶2稱取純度99.99％的Ti粉6.9434g、純度99.99％的Al粉1.3014g、純度99.99％的C粉1.1611g；再加入純度99.99％的Si粉0.4049g作為燒結助劑；采用硬質合金球，球料比為30∶1；將球與配合料放入球磨罐內，并抽真空后充氬氣惰性氣體；高能球磨機的轉速為300rpm；在室溫下球磨30小時，得到混合均勻的納米超細粉末。將該超細粉末在乙醇介質中再次球磨3小時；然后烘干，加入PVB粘結劑，進行造粒處理；將造粒后的粉體倒入鋼模中，在50MPa壓力下預先壓制成型，然后在100MPa壓力下在冷等靜壓機上壓制成生坯，生坯經排膠后放入高溫爐中，在氬氣保護氣氛下進行燒結，燒結溫度為1350℃，并在此溫度下燒結3小時，然后隨爐冷卻，最終得到密度為98％，純度為97％的Ti3AlC2陶瓷。
實施例4按摩爾比3∶1∶2稱取純度99.99％的Ti粉6.9434g、純度99.99％的Al粉1.3014g、純度99.99％的C粉1.1611g；再加入純度99.99％的Sn粉1.7207g作為燒結助劑；采用硬質合金球，球料比為30∶1；將球與配合料放入球磨罐內，并抽真空后充氬氣惰性氣體；高能球磨機的轉速為300rpm；在室溫下球磨30小時，得到混合均勻的納米超細粉末。將該超細粉末在乙醇介質中再次球磨3小時；然后烘干，加入PVB粘結劑，進行造粒處理；將造粒后的粉體倒入鋼模中，在50MPa壓力下預先壓制成型，然后在100MPa壓力下在冷等靜壓機上壓制成生坯，生坯經排膠后放入高溫爐中，在氬氣保護氣氛下進行燒結，燒結溫度為1400℃，并在此溫度下燒結3小時，然后隨爐冷卻，最終得到密度為98％，純度為97％的Ti3AlC2陶瓷。
權利要求
1.一種低溫無壓燒結制備Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟a.機械合金化過程將高純度的鈦、鋁和石墨按摩爾比3∶1∶2的化學計量配比進行配料，另以Al的摩爾量為基準加入0.3～0.6mol的Sn或Si或Al粉作為燒結助劑；將配合料放在球磨罐內，采用不銹鋼球或硬質合金球，球與料的重量比為10∶1～30∶1；球磨罐抽真空或抽真空后充氬氣或氮氣惰性氣體；高能球磨機的轉速為200～350rpm；在室溫下球磨10～60小時，得到混合均勻的納米級超細粉末；b.燒結過程將上述的納米級超細粉末在乙醇介質中再次球磨3小時；然后烘干后加入適量PVB作為粘結劑，并進行造粒處理；將造粒后的粉體倒入鋼模中或塑料橡膠模套中，在冷等靜壓機上制成生坯，生坯經排膠后放入高溫爐中，在真空或氬氣或氮氣惰性氣體保護下進行燒結，燒結溫度為1250～1500℃，并在該溫度下燒結2～6小時，最終得到致密大于98％的Ti3AlC2陶瓷。
2.如權利要求1所述的一種低溫無壓燒結制備致密Ti3AlC2陶瓷的方法，其特征在于所述的燒結溫度最適宜為1350℃，最適宜燒結時間為3小時。
全文摘要
本發明涉及一種鈦鋁碳化物陶瓷的低溫無壓燒結制備方法，屬特種陶瓷材料制備工藝技術領域。本發明以高純度的Ti、Al、C為原料，按摩爾比3∶1∶2進行稱量配料，另以Al的摩爾量為基準加入0.3～0.6mol的Sn或Si或Al粉作為燒結助劑；將配合料放在球磨罐內球磨10～60小時，球磨罐內采用不銹鋼球或硬質合金球，球料重量比為10∶1～30∶1；罐內抽真空或抽真空后充有氬或氮惰性氣體，球磨機轉速為200～350rpm；先制得納米級超細粉末。將該超細粉末在乙醇介質中再次球磨3小時，然后烘干，加入適量PVB粘結劑，進行造粒；然后將造粒后的粉體放入鋼模中，在冷等靜壓機上壓制成生坯，將生坯放入高溫爐中，在真空或氬氣或氮氣保護氣氛下進行燒結，燒結溫度1250～1500℃，燒結2～6小時，最終得到致密的Ti
文檔編號C04B35/634GK101033141SQ20071003739
公開日2007年9月12日 申請日期2007年2月9日 優先權日2007年2月9日
發明者朱麗慧, 黃清偉 申請人:上海大學