原位热压烧结工艺制备致密ZrO₂/Ti₂AlN复合材料的制作方法

专利名称：原位热压烧结工艺制备致密ZrO₂/Ti₂AlN复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及新型结构材料领域，特别是涉及一种原位热压烧结工艺制备&02/ Ti2AlN复合块体材料的方法。
背景技术：
氮化铝钛(Ti2AlN)陶瓷是一种具有六方结构的三元层状化合物，具有非常特别的 性质。它既有陶瓷的耐高温抗氧化、耐腐蚀等性能，又具像金属一样的机械可加工性、抗热 震性、高温塑性、导电、导热等，同时还有较好的自润滑性，有的报告称还有热电性。因此，实 际上是一类兼有功能——结构一体化的化合物。在民用机电行业及军工领域均有广泛的应 用前景，对它们的研究受到特别的重视。但Ti2AlN的硬度较低(3. 5GPa)，耐酸碱性能较差，力学性能较差，极大地限制了其 作为结构材料和功能材料使用范围。目前研究的重点是关于单相块状[文献(1 4)]和 薄膜[文献(5 7)] Ti2AlN的制备，而未见有关提高Ti2AlN块体材料的断裂韧性及耐腐蚀 性的报道。氧化锆(&02)具有高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱的特点，同时具有良好的导电 性能，其在高温结构材料、耐腐蚀以及电气材料中有着广泛的应用前景。氧化锆有两种变 体，1000°C时由单斜晶系转变为四方晶系，此晶型转变为可逆转变，冷却过程中，晶型转变 伴有7%的体积膨胀，可以提高材料的致密度，对材料内部的裂纹产生压应力，阻碍裂纹的 扩展，提高材料的韧性，是一种重要的相变增韧材料。更为重要的是&02的热膨胀系数与 Ti2AlN相近，分别为9. 4 X ΙΟΙ1和8. 8 X ICT6IT1tj因此在Ti2AlN中引入适量的ZrO2颗粒作 为增强相，将有助于改善Ti2AlN材料的性能，获得兼具两者优点的复合材料。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供原位热压烧结工艺合成致密&02/Ti2AlN复 合材料的方法。所制得的产品兼具&02和Ti2AlN两者的优点，从而克服现有技术中存在的 问题。本方法工艺简单，原位合成方法能够获得均勻的颗粒分布和良好的界面结合。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案本发明提供的原位热压工艺合成的致密&02/Ti2AlN复合材料，其由包括称 取Ti粉、Al粉、TiN粉、ZrO2粉原料，原料混合，以及将混合均勻的原料粉末置于石 墨模具中在真空下进行热压烧结而成。其中所述Ti粉、Al粉和TiN粉的摩尔比为 η (Ti) η (Al) η (TiN) = 1 (0. 8 1. 4) 1，ZrO2 粉的掺入量为 5 40vol %。本发明提供的原位热压工艺合成致密&02/Ti2AlN复合材料的方法，是采用包括 以下步骤的原位热压工艺1)按上述致密&02/Ti2AlN复合材料的配比称取Ti粉、Al粉、TiN粉和&02粉。2)将称取的原料粉末混合均勻后，置于石墨模具中，在真空热压烧结系统中进行 烧结，真空度为10_2Pa。
3)烧结步骤为以5 80°C /min的升温速率升至1200 1450°C，保温1 8小 时，压力为20 80Mpa。4)烧结完成后，在真空环境下，关掉电源，自然冷却。本发明原位反应制备方法的基本原理是利用外界加热和Ti、Al之间反应所放出 的大量热，使系统温度升高，一部分TiN溶解在TiAl基液体中。放热反应结束后，系统温度 随之下降，三元相Ti2AlN析出，与未参与反应的&02在外压力作用下致密化，从而原位得到 ZrO2Ai2AlN复合块体材料。


附图1为热压烧结工艺制备&02/Ti2AlN复合材料试样的X射线衍射图谱(XRD)。 附图2为热压烧结工艺制备&02/Ti2AlN复合材料试样的扫描电镜照片(SEM)。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。附图1为热压烧结工艺制备&02/Ti2AlN复合材料试样的X射线衍射图谱(XRD)。 烧结试样中除Ti2AlN和&02外，未见其它杂质。图谱中Ti2AlN为主相，&02为增强相，两 种物质的衍射峰尖锐，说明两者的晶体均发育良好。附图2为热压烧结工艺制备&02/Ti2AlN复合材料试样的扫描电镜照片(SEM)。 Ti2AlN为片状形貌，厚度尺寸和长度尺寸分别为5-8 μ m和10-15 μ m,晶粒发育完善，具有 明显的层状结构特征JrO2为尺寸1_2μπι的四方小颗粒。两种晶相发育良好，原位技术使 得两相界面结合良好。本发明提供热压烧结工艺合成的致密&02/Ti2AlN复合块体材料，其原料组成及 成分范围为以Ti粉、Al粉、TiN粉的摩尔比是为n(Ti) η(Al) η(TiN) = 1 (0. 8 1.4) 1，粉的掺入量为5 40vol%。本发明采用包括以下步骤的热压烧结工艺合成&02/Ti2AlN复合块体材料，具体 是1)按上述致密&02/Ti2AlN复合块体材料的配比称取Ti粉、Al粉、TiN粉和&02 粉。2)将称取的原料粉末混合均勻后，置于石墨模具中，在热压烧结系统，真空环境中 进行烧结，真空度10_2Pa。3)烧结步骤为以5 80°C /min的升温速率升至1200 1450°C，保温1 8小 时，压力为20 80Mpa。实施例1 原料粉末按摩尔比为 n(Ti) η(Al) η(TiN) = 1 0. 8 1, ZrO2 粉的掺入量为10vol% ；混合均勻，放入石墨模具中，在热压烧结系统中进行烧结，真空度为 10_2Pa。升温速度为200°C以前5°C /min，200°C以后60°C /min，烧结温度1200°C，保温4小 时，压力40MPa。块体材料的致密度为96. 5%，在INSTR0N-1195万能力学实验机上测得，材 料的抗压强度彡900MPa，三点弯曲强度σ b彡500MPa, Kic彡9MPa · m"2。实施例2 原料粉末按摩尔比为n(Ti) η(Al) η(TiN) =1:1: 1，&02粉 的掺入量为15vol% ；混合均勻，放入石墨模具中，在热压烧结系统中进行烧结，真空度为10_2Pa。升温速度为2000C以前50C /min,200°C以后60°C /min，烧结温度1300°C，保温2小 时，压力30MPa。块体材料的致密度为97%，在INSTR0N-1195万能力学实验机上测得，材料 的抗压强度彡900MPa，三点弯曲强度σ b彡500MPa, Kic彡9MPa · m"2。实施例3 原料粉末按摩尔比为 n(Ti) η(Al) η(TiN) = 1 1. 2 1, ZrO2 粉的掺入量为20vol% ；混合均勻，放入石墨模具中，在热压烧结系统中进行烧结，真空度为 10_2Pa。升温速度为200°C以前5°C /min，200°C以后60°C /min，烧结温度1350°C，保温1小 时，压力30MPa。块体材料的致密度为97. 5%，在INSTR0N-1195万能力学实验机上测得，材 料的抗压强度彡900MPa，三点弯曲强度σ b彡500MPa, Kic彡9MPa · m"2。实施例4 原料粉末按摩尔比为 n(Ti) η(Al) η(TiN) = 1 1. 4 1, ZrO2 粉的掺入量为40vol% ；混合均勻，放入石墨模具中，在热压烧结系统中进行烧结，真空度为 10_2Pa。升温速度为2000C以前50C /min, 200°C以后60°C /min，烧结温度1400°C，保温6小 时，压力40MPa。块体材料的致密度为98%，在INSTR0N-1195万能力学实验机上测得，材料 的抗压强度彡900MPa，三点弯曲强度σ b彡500MPa, Kic彡9MPa · m"2。以上材料的抗压强度、三点抗弯强度和断裂韧性的测试在INSTR0N-1195万能材 料实验机上进行。三点抗弯强度测试时，试条加载速率为0.5mm/min，跨距为25mm。断裂韧 性采用单边切口梁法测定，切口在试条长度方向的正中，深度为2. 5mm，支座跨距为20mm， 加载速率为0. 5mm/min。三元层状化合物在稀硝酸中的耐腐蚀性能最差，所以配置了(11. 6% )的HNO3溶 液作对比实验。在相同的热压烧结工艺条件下合成的Ti2AlN及&02/Ti2AlN复合材料，在 硝酸溶液中两个月后的腐蚀失重分别为52X IO3 μ g/cm2，26. 5X IO3 μ g/cm2。&02/Ti2AlN复 合材料的耐HNO3腐蚀性能优于Ti2AlN单相材料。所得复合材料经高温氧化增重试验，恒温氧化和循环氧化试验均在普通箱式高 温炉的空气中进行。恒温氧化温度为900-1300°C，氧化总时间为20h ；循环氧化温度为 1100，1200，1300°C，循环次数为30次。试样冷却后用精确度为士 10_4g的分析天平秤重。 1300°C恒温氧化试验测得，单相和复合材料两者的氧化抛物线速率常数分别为5. 62X ΙΟ"9 和2. 10X10_9kg2/m_4 μ—1 ； 1300°C恒温氧化试验测得，单相和复合材料两者的氧化抛物线速 率常数分别为3. 23X ΙΟ"9和1. 87X 10-9kg2/nT4 .s—1。ZrO2Ai2AlN复合材料的耐氧化性能优 于Ti2AlN单相材料。
权利要求
一种原位热压烧结工艺合成的致密ZrO2/Ti2AlN复合块体材料，其由包括称取Ti粉、Al粉、TiN粉和ZrO2粉为原料，原料混合，以及将混合均匀的原料粉末置于石墨模具中进行真空热压烧结而成，其特征在于所述Ti粉、Al粉和TiN粉，其摩尔比为n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶(0.8～1.4)∶1，ZrO2粉的掺入量为5～40vol％。
2.一种原位热压烧结工艺合成致密&02/Ti2AlN复合块体材料的方法，采用包括以下 步骤的原位热压烧结工艺1)按配比称取Ti粉、Al粉、TiN粉和ZrO2粉；2)将称取的原料粉末混合均勻后，置于石墨模具中，在热压烧结系统，真空环境中进行 烧结，真空度为KT2Pa;3)烧结步骤为以5 80°C/min的升温速率升至1200 1450°C，保温1 8小时， 压力为2O 8OMpa ；其特征在于所述Ti粉、Al粉和TiN粉，其摩尔比为n(Ti) η (Al) η (TiN)= 1 (0.8 1.4) 1，ZrO2 粉的掺入量为 5 40vol%。
3.根据权利要求2所述的热压烧结工艺合成致密&02/Ti2AlN复合块体材料的方法， 其特征在于原料的摩尔比η (Ti) η (Al) η (TiN) = 1 0. 8 1，&02粉的掺入量为 IOvol %。
4.根据权利要求2所述的热压烧结工艺合成致密&02/Ti2AlN复合块体材料的方法， 其特征在于原料的摩尔比为H(Ti) η(Al) η(TiN) =1:1: 1，&02粉的掺入量为 15vol%。
5.根据权利要求2所述的热压烧结工艺合成致密&02/Ti2AlN复合块体材料的方法， 其特征在于原料的摩尔比为n(Ti) η(Al) η(TiN) = 1 1. 2 1，&02粉的掺入量 为 20vol%。
6.根据权利要求2所述的热压烧结工艺合成致密&02/Ti2AlN复合块体材料的方法， 其特征在于原料的摩尔比为n(Ti) η(Al) η(TiN) = 1 1. 4 1，&02粉的掺入量 为 40vol%o
全文摘要
本发明是原位热压烧结工艺合成致密ZrO2/Ti2AlN复合块体材料。原料组成及成分范围为以Ti粉、Al粉、TiN粉的摩尔比为n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶(0.8～1.4)∶1，ZrO2粉的掺入量为5～40vol％。本材料由原位热压烧结工艺制成，其步骤包括按配比称取原料，原料混合均匀后，置于石墨模具中，在热压烧结系统中的真空环境下进行烧结，真空度为10-2Pa；升温速度为5～80℃/min，烧结温度为1200～1450℃，保温1～8小时，压力为20～80Mpa。合成产物兼具Ti2AlN和ZrO2两者的优点，合成的ZrO2/Ti2AlN复合材料比单相Ti2AlN具有更好的力学性能和耐腐蚀耐氧化性能。
文档编号C04B35/645GK101948313SQ20101025919
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月20日 优先权日2010年8月20日
发明者严明, 常鹰, 彭少贤, 蒋久信, 陈艳林 申请人:湖北工业大学