一种TiC-WC/TiC-TiN层状陶瓷材料及其制备方法

本发明涉及层状陶瓷材料领域，具体为tic-wc层与tic-tin层交替叠层的tic基陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、tic基陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高导电性、低密度以及良好的耐腐蚀性和抗氧化性等优异的性能，不仅在切削和耐磨工具中被广泛应用，也常常被应用在采矿、农业、航空航天等领域。但是由于tic基陶瓷材料的烧结性差，在实际应用中仍存在断裂韧度低的问题，在复杂工况下，tic基陶瓷制品容易失效。因此，提高tic基陶瓷材料的断裂韧性成为关键。

2、目前，tic基陶瓷材料的增韧方式主要有：添加金属粘结相、添加增强相、添加其他增韧材料、弱界面结合层状结构等。添加ni、mo、al、fe等金属材料可有效提高tic基陶瓷材料的可烧结性，在烧结过程中液相金属材料能填补基体材料的间隙与孔洞，提高了材料的致密度，有效改善tic的断裂韧性，但是，金属材料的加入会使得tic材料的硬度降低；添加wc、vc、tib2、cr3c2、tin、hfc等增强相可与tic基体相形成芯-壳结构，有效改善材料中陶瓷相与金属相的润湿性，同时，过渡金属碳化物还能与基体固溶形成固溶强化，这些都能改善tic基陶瓷材料的力学性能，但是断裂韧性还是普遍较低；添加碳纤维和碳纳米管等其他增韧材料，可通过碳纳米管和碳纤维的桥连和拔出有效增加陶瓷材料的断裂韧性，但材料内部容易形成孔洞，反而会恶化陶瓷材料的力学性能；弱界面结合层状结构将ti等延性夹层与tic基体材料叠层，利用延性层的塑性变形耗散断裂能，有效使裂纹偏转，改善tic材料的断裂韧性，但由于添加了弱夹层，使得层状陶瓷的强度有所下降。

技术实现思路

1、本发明为解决现有tic基陶瓷材料的增韧方法难以兼顾强度和断裂韧性的问题，设计了一种tic-wc/tic-tin层状陶瓷材料，并提供了其制备方法。

2、本发明是采用以下技术方案实现的：一种tic-wc/tic-tin层状陶瓷材料，tic-wc层由如下质量百分比原料组成：tic60%-80%，wc5%-25%，mo4%-8%，ni5%-10%；tic-tin层由如下质量百分比原料组成：tic60%-80%，tin5%-25%，mo5%-9%，ni6%-10%；层结构设计为对称结构，即tic-wc作为上下表层。

3、层状陶瓷材料中，各层热膨胀系数的相对大小影响着其应力状态，为防止层间应力耦合，层结构设计为奇数层对称结构，同时，为保证材料的上下表层最终形成压应力，以热膨胀系数小的tic-wc为表层。

4、制得的tic基层状陶瓷材料，相邻层界面清晰平整，晶粒大小均匀，tic基层状陶瓷材料的抗弯强度介于946.01~1203.46mpa，断裂韧性介于7.78~10.59mpa·m1/2，与现有增韧方法相比，可兼顾强度和断裂韧性。

5、一种tic-wc/tic-tin层状陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

6、步骤1，准备材料，按各层所需材料的组分比例，分别称量出tic-wc层和tic-tin层所需的原料，分别倒入做好区分两层标记的两个球磨罐内，球磨罐内再配以适量乙醇和wc合金球，进行球磨。

7、步骤2，干燥，将球磨后的混合浆料放在干燥箱内，恒温干燥后过筛。

8、步骤3，叠层，称量所需的tic-wc层粉体，倒入石墨模具中摊平压实后，再称量所需的tic-tin层粉体，倒入石墨模具后摊平压实，重复此操作，直到所需层状结构叠层完整。

9、步骤4，热压烧结，将装有坯体的石墨模具放入真空热压烧结炉内，在升温速率为10℃/min、烧结压力为30mpa、烧结温度为1550℃-1650℃的条件下，保温30min-60min，得到tic-wc/tic-tin层状陶瓷材料。

10、在tic基体中加入wc、tin等增强相可有效改善tic基陶瓷材料的强度；在外力作用下产生裂纹时，层状材料表层形成的压应力会作用在裂纹尖端，阻碍裂纹扩展，同时，各层间的结合面会使通过的裂纹发生偏转，消耗大量的断裂能，提高材料的断裂韧性，因此，tic-wc/tic-tin层状陶瓷材料，能够兼顾材料的强度和断裂韧性。

11、本发明将干压成型法和真空热压烧结技术相结合，制备出tic-wc/tic-tin层状陶瓷材料，能够兼顾材料的强度和断裂韧性，提高了tic基陶瓷材料的综合力学性能，且制备方法简单、成本低。

技术特征：

1.一种tic-wc/tic-tin层状陶瓷材料，其tic-wc层由如下质量百分比原料组成：tic60%-80%，wc5%-25%，mo4%-8%，ni5%-10%；tic-tin层由如下质量百分比原料组成：tic60%-80%，tin5%-25%，mo5%-9%，ni6%-10%；层结构设计为对称结构，即tic-wc作为上下表层。

2.一种tic-wc/tic-tin层状陶瓷材料的制备方法，其特征在于：采用如下步骤：(1) 准备材料，按各层所需材料的组分比例，分别称量出tic-wc层和tic-tin层所需的原料，分别倒入做好区分两层标记的两个球磨罐内，球磨罐内再配以适量乙醇和wc合金球，进行球磨；(2)干燥，将球磨后的混合浆料放在干燥箱内，恒温干燥后过筛；(3) 叠层，称量所需的tic-wc层粉体，倒入石墨模具中摊平压实后，再称量所需的tic-tin层粉体，倒入石墨模具后摊平压实，重复此操作，直到所需层状结构叠层完整；(4) 热压烧结，将装有坯体的石墨模具放入真空热压烧结炉内，在升温速率为10℃/min、烧结压力为30mpa、烧结温度为1550℃-1650℃的条件下，保温30min-60min，得到tic-wc/tic-tin层状陶瓷材料。

技术总结
本发明涉及层状陶瓷材料领域，具体为TiC‑WC层与TiC‑TiN层交替叠层的TiC基陶瓷材料及制备方法。解决了现有TiC基陶瓷材料的增韧方法难以兼顾强度和断裂韧性的问题。一种TiC‑WC/TiC‑TiN层状陶瓷材料，TiC‑WC层由如下质量百分比原料组成：TiC60%‑80%，WC5%‑25%，Mo4%‑8%，Ni5%‑10%；TiC‑TiN层由如下质量百分比原料组成：TiC60%‑80%，TiN5%‑25%，Mo5%‑9%，Ni6%‑10%。本发明结合干压成型法和真空热压烧结技术，所得TiC‑WC/TiC‑TiN层状陶瓷材料可兼顾材料的强度和断裂韧性，提高了TiC基陶瓷材料的综合力学性能。

技术研发人员：高姣姣,王卓,宋金鹏,吕明
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29