AlC复合陶瓷材料的反应喷射合成制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及陶瓷基复合材料制备技术领域，具体涉及一种Ti2AlC层状陶瓷材料的 制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着科技的迅猛发展，高技术领域对高温、高强材料提出越来越苛刻的要求，传统 的金属基材料已难以完全满足需要。高性能陶瓷和陶瓷基复合材料以其在高温力学、化学 及热稳定性等方面的独特优势，成为高温、磨损、腐蚀等严酷环境下服役的理想材料。然而， 传统陶瓷材料制备工艺复杂、成本高和难以机械加工的缺陷限制了其在工业中的实际应 用。
[0003] 近年来，一类具有层状结构的新型陶瓷材料受到广泛重视。这些化合物可用统一 的分子式Mn+1AXn来表示，其中，M为过渡金属，A主要为第III或第IV族元素，X为C或N， n为1~5之间的整数。Mn+1AXnffi化合物的晶体结构中，过渡金属碳化物或氮化物与纯A族 元素原子构成的层交替排列，使其具有特点鲜明的层状结构。目前已知的Mn+1AXnffi化合物 已有60余种，因其组成、结构与性能特征的缘故，被统称为三元层状陶瓷，简称MAX相。
[0004] 在已知的MAX三元层状陶瓷中，含Al的Ti2AlC是重量最轻（密度为4.lg/cm3)、 抗氧化性能最好的一种。在Ti2AlC层状陶瓷中，Ti-C键主要以强共价键和离子键结合，赋 予材料高熔点、高强度、高模量等性能；而Ti-Al键具有非常明显的金属键特征，赋予材料 良好的导电、导热性能；此外，Ti原子和Al原子平面层之间以类似于石墨层间的范德华弱 键结合，使得材料具有层状结构和自润滑性能。Ti2AlC层状陶瓷这种金属键、离子键、共价 键共同作用的独特键合结构使其同时兼具陶瓷和金属的性能优点。由于有效克服了传统陶 瓷脆性大、难加工的固有缺陷，使Ti2AlC层状陶瓷具有广阔的应用前景。
[0005] 然而遗憾的是，该材料自问世以来便一直面临制备上的难题。目前块体Ti2AlC层 状陶瓷主要利用热压（HotPressing-HP)、热等静压（HotIsostaticPressing-HIP)、放电 等离子烧结（SparkPlasmaSynthesis-SPS)等方法制备，此外，还有研宄者先以机械合金 化方法制备相应三元层状陶瓷粉体，再以热压烧结方法获得块体材料。但这些材料制备过 程均须在长时间高温、高压的苛刻条件下完成，使得上述方法普遍存在制备设备庞大、工艺 复杂、成本高、效率低的问题。如何高效率、低成本地制备出Ti2AlC层状陶瓷，已经成为该 材料深入研宄及工程实际应用的关键所在。
[0006] 金属喷射成形（又称喷射沉积）技术是材料领域制备近终型坯件的高新技术，具 有快速凝固一次成形的优点，目前已在发展新型合金与实现复杂构件净成形等方面显示出 巨大的经济和社会效益。其原理是用高压气体将金属液流雾化成细小液滴，并使其沿喷嘴 的轴线方向高速飞行，在液滴尚未完全凝固之前，将其沉积到一定形状的接收体上成形。该 技术通过设计接收体的形状、控制接收体运动方式及喷射熔滴的凝固过程，可从液相直接 制备出具有快速凝固组织特征、整体致密的圆棒、圆盘、管坯、板材、带材等不同形状的沉积 坯件。喷射沉积具有材料制备性能高、成本低的优点。然而，利用喷射成形制备沉积坯件的 前提是喷射熔体的获得，而对于熔点极高的陶瓷材料而言，采用常规方法不易得到陶瓷熔 体，因而，目前喷射成形技术主要用来制备金属、合金及其复合材料坯件，国内外还没有出 现基于喷射沉积原理对Ti2AlC层状陶瓷进行近终型成形的研宄报道。
[0007] 自蔓延高温合成（Self-propagatingHightemperatureSynthesis，简称SHS)技 术又称燃烧合成技术，是利用反应原料自身燃烧反应放出的热量使化学反应过程自发持续 进行，以获得具有指定成分与结构产物的一种新型材料合成技术。它具有技术工艺与设备 简单，成本低；能耗和原材料消耗少；反应温度高，产品纯度高；高的温度梯度和较快的冷 却速度；能够充分利用原位复合等优点。将这一技术与传统材料制备方法相结合，利用其 低成本及高能量释放特性，已获得了多种优于传统材料制备方法的SHS复合技术，如SHS制 粉、SHS烧结、SHS等静压、SHS反应喷涂、SHS焊接技术等，并制备了多种高性能陶瓷、金属 陶瓷、金属间化合物和陶瓷基复合材料。有研宄者尝试利用该技术制备Ti2AlC层状陶瓷， 但受SHS技术制备材料难以致密的固有缺陷所限，必须在SHS反应合成时辅以高压，方可获 得致密块体材料，但这导致材料的制备工艺及设备变得复杂，大幅推高了制备成本，从而失 去了SHS技术设备工艺简单、成本低的原有优势。
【发明内容】
[0008] 本发明提供一种Ti2A1C复合陶瓷材料的反应喷射合成制备方法，该方法立足金 属喷射沉积思想，借助自蔓延高温合成技术高反应放热、原位合成陶瓷熔体的优势，以廉 价原材料与低成本工艺设备，制备具有微/纳米晶结构的Ti2AlC层状可加工陶瓷，为低成 本、高效率制备高性能Ti2AlC层状陶瓷开辟新的技术途径。具体思路是：以低成本反应原 料Ti-Al-蔗糖（C的前驱体）为喷射材料，制备喷射复合粉，借助火焰喷涂设备，喷射过程 中以火焰热源引燃喷射体系的SHS反应，在惰性气体保护气氛下原位反应合成目标陶瓷相 Ti2AlC;借助火焰与SHS反应放热双重作用获得高温陶瓷熔体，同时以喷射成形技术在接收 体上实现零部件的近终型成形，依靠高温熔体大过冷度条件下的快速凝固特性，最终获得 具有微/纳米晶结构特征的Ti2AlC层状陶瓷。
[0009] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案：选择合适的材料体系，制备喷射复合 粉；进行反应喷射沉积，制备Ti2AlC复合陶瓷材料，其特点是包括下述步骤：
[0010] 步骤一：以钛粉、错粉为反应原料，用砂磨机在有机溶剂介质（乙醇或丙酮）中湿 磨；称取相应比例的分析纯蔗糖，溶于蒸馏水形成蔗糖溶液，加入上述物料中继续湿磨、搅 拌1小时，形成混合浆料；
[0011] 步骤二：将混合浆料倒入容器，置于105~IKTC的烘箱中烘干，去除混合物料 中的有机溶剂与水（烘干过程中注意通风）；将烘干后的固体物料掰成块状，置于220~ 225°C的真空热处理炉中，使固体物料内的蔗糖碳化（C12H220n- 12C+1IHA)，形成Ti-Al-C 混合体系；
[0012] 步骤三：利用粉碎机将碳化后的块状Ti-Al-C混合物料破碎，筛分出+400~-200 目范围内的Ti-Al-C复合粉；
[0013] 步骤四：以制备的Ti-Al-C复合粉作为喷射材料，以石墨模具为接收体，进行反应 喷射沉积，制备Ti2AlC层状陶瓷复合材料。
[0014] 进一步，选取的钛粉、铝粉为粒径小于250目的细粉，湿磨时间为1~24h。其中， 湿磨时间与选取的钛粉、铝粉粒径相关，如：粒径-250目的钛粉、铝粉研磨20~24h;粒 径-400目的钛粉、铝粉研磨8~12h;粒径-600目的钛粉、铝粉研磨1~2h。
[0015] 进一步，喷射成形过程中，氧气压力设为0? 5~0? 7MPa，乙炔压力设为0? 09~ 0. 12MPa，氩气压力设为0. 5~0. 7MPa，气/粉质量流率比设为9~14,喷射距离150~ 180mm〇
[0016] 进一步，接收体材料选用石墨材料，形状与尺寸根据所需制备的Ti2AlC复合陶瓷 坯件而定。
[0017] 本发明的有益效果是：
[0018] 1)采用该方法制备Ti2AlC层状陶瓷复合材料，由于借助了喷射材料的自蔓延高 温合成特性，可以利用低成本的原材料Ti粉、Al铝粉与蔗糖原位反应合成制备高性能的 Ti2AlC复合陶瓷坯件；
[0019] 2)该技术使用由火焰喷涂系统改制的简单设备，借助高压雾化气体对喷射熔滴的 作用，在喷射熔滴铺展于接收体表面时形成瞬时高压，省却了常规Ti2AlC层状陶瓷制备方 法必须的外加高压设备，使设备与工艺流程大大简化，制备成本显著降低；
[0020] 3)采用该方法制备Ti2AlC层状陶瓷复合材料，由于可以借助火焰热源与SHS反应 放热的双重作用，获得高温陶瓷熔体，因而可借助金属喷射成形近终型成形思想，