专利名称：激光诱导自蔓延高温合成TiC粉体的方法
技术领域：
本发明属于金属陶瓷材料制备领域，涉及一种高纯微细TiC粉体的制备方法，特 别是涉及一种采用激光诱导自蔓延高温合成制备高纯微细TiC粉体的方法。
背景技术：
碳化钛(TiC)是一种具有高熔点、高强度、低密度，低断裂韧性，高抗氧化性，高抗 腐蚀的材料，被广泛应用于医药及化学工业，特别是用于合成坩埚、切割工具、耐磨材料、光 学透明材料及强化材料。但是，高昂的价格又限制了这类材料的大规模开发与应用。目前TiC粉末主要是通过镁热还原、气相激光诱导反应、机械研磨、激光化学气相 沉积及固态交换等方法制备，但是所有这些方法都需要高温或复杂的操作，因此，探索高效 节能的低成本制备工艺一直是近年来的研究热点。自蔓延高温合成(SHS)是由俄罗斯科学家A. G. Merzhanov院士在20世纪60年 代末期最先提出的一种材料合成与制备新技术，它是一种利用反应自生放热合成材料的先 进制备技术，反应混合物被点燃以后，形成自行蔓延的燃烧波，燃烧波快速向未反应区域传 播，燃烧波过后，反应物转化为产物。这项技术应用了放热反应加工，克服了传统制备方法 中的时间及能量集中烧结加工的困难。激光诱导自蔓延高温合成(LISHS)是利用激光的高能密度透过特定的介质(窗 口)将待合成材料点燃，然后靠合成反应放出的潜热维持自蔓延，最终获得所需的材料。 激光点火作为一种新的点火方式具有很多优点，例如1)照射源可置于离烧结点较远的位 置，这样可以消除由于墙或干扰源造成的变形；2)水平流动的高能量可以被利用，也可聚 集到一点、一片或中心，这会是有能力指导能量输入到确定的模式或控制烧结的结构；3) LISHS过程很安全，容易控制而不造成污染。正是由于这些优点，使LISHS在制备陶瓷粉体、 金属间化合物等领域得到了广泛的应用。遗憾的是，目前尚未有用LISHS制备高纯TiC微粉的专利，但有相关的文献报道， 如J. B. Holt、D. C. Halverson和Merzhanov等利用燃烧合成的方法制备了 TiC。但他们都 是以高纯Ti粉与C粉为原料直接制备TiC的，这种工艺合成的TiC虽然具有较高的纯度， 但是制造成本高，无法进行工业化生产。夏斌华等利用预热自蔓延方法制备了 TiC，也是以 高纯Ti粉与C粉为原料直接制备，而且预热温度高达1300°C，既增加了生产成本，又使设备 的复杂程度增加。王为明等利用钨丝点火的方法合成了 TiC。
发明内容
本发明的目的是针对现有TiC制备方法的不足，提供一种利用激光诱导自蔓延高 温合成制备TiC微细粉末的方法。本发明的TiC微细粉末制备方法是以A1粉、C粉和Ti02粉为原料，先采用激光诱 导自蔓延高温合成方法合成出含有ai203副产品(铝钛化合物作为中间产物在反应过程中 分解)的Tic初级产物，然后以酸性腐蚀液萃取腐蚀掉副产品A1203，得到纯度较高的TiC粉末。Al、C和Ti02是本发明主要的反应原料，其中A1粉末纯度为98%，粒度应小于 200 250iim，Ti02粉末纯度为99. 5%，粒度应小于80 100 y m，C粉末纯度为99.9%， 粒度应小于100 150 u m。以上原料按照反应式Ti02+C+Al — Al203+TiC+Q,形成基本成分 为A1203和TiC的产物，Q是反应放热。本发明的原料组成以质量百分比计为Ti02 43 . 5 60.9wt% C 6. 5 9. lwt% Al 30 50wt%。在上述反应原料中，Al既作为稀释剂，又作为反应物，在合成过程的初期生成铝钛 化合物，但是由于自蔓延反应燃烧温度很高，在合成过程的后期完全分解。C和Ti02是合成 TiC的主要反应物。本发明激光诱导自蔓延高温合成TiC粉体的方法为1.将A1粉、C粉和Ti02粉按照上述质量百分比混合，于混料机中球磨10 20h， 混合料粉以30 40MPa的单向静压压力压制成长方体压坯，然后用5kW连续C02激光器对 压坯加热，至自蔓延反应发生，停止加热，自然冷却得到TiC初级产物；2.将燃烧得到的TiC初级产物置于盛有酸性腐蚀液的反应釜中，常温下腐蚀30 40h，过滤，以去离子水洗涤粉体至中性，烘干得到高纯度的微细TiC粉体。其中，所述的酸性腐蚀液是5 25wt% HC1溶液或者10 30wt% H2S04溶液，主 要作用是去掉合成产物中的A1203。本发明的有益效果是1.本发明以A1、C和Ti02作为反应物料制备TiC粉体，较之以C和Ti02制备TiC 大大降低了生产成本；2.由于在本发明的反应体系中，Ti02和C与金属A1发生反应的放热量远小于Ti 与C合成TiC的放热量，形成的产物TiC晶粒细小、易于破碎；3.本发明对燃烧产物不进行破碎，而是直接进行萃取，所以避免了传统方法由于 破碎带来的二次污染；4.本发明的所有操作都是在空气中进行的，操作简单，没有安全隐患。5.采用激光诱导自蔓延反应模式，充分利用了反应自生的反应热，降低了能耗。本发明采用激光诱导自蔓延高温合成方法结合化学纯化方法合成了高纯度TiC 微粉，其平均粒度可以达到2 3 y m。
图1是本发明实施例1得到TiC微粉的微观形貌图；图2是本发明实施例1得到TiC微粉的XRD图。
具体实施例方式实施例1将52. 2克Ti02粉末(平均粒度彡80 100 um),7. 8克C粉末(平均粒度彡100 150 ii m)、40克A1粉末(平均粒度< 200 250 u m)放入混料机中球磨10h，均勻混合后， 在Y/TD71半自动液压机上以30 40MPa的压力单向静压压制成长方体块状压坯(压坯密度约为理论密度的75% )。然后使用5kW连续C02激光器对压坯进行加热，直到自蔓延反 应发生为止，停止加热，自然冷却后收集反应产物。将收集的反应产物放入到反应釜中，加入10% HC1腐蚀液100ml并不断搅拌，在常 温下腐蚀40h后，过滤，以去离子水洗涤滤饼，直至洗涤液为中性为止，然后将滤饼在烘箱 中烘干10h，即可得到高纯度的TiC陶瓷微粉，产率80%，平均颗粒尺寸为2. 3 y m。图1和图2给出了该条件下合成TiC微粉的微观形貌图和XRD分析结果。结果表 明，所得粉体为单纯的TiC，无杂相。实施例2将60. 9克Ti02粉末(平均粒度<80 100 iim)、9. 1克C粉末(平均粒度< 100 150 ii m)、30克A1粉末(平均粒度< 200 250 u m)放入混料机中球磨15h，均勻混合后， 在Y/TD71半自动液压机上以30 40MPa的压力单向静压压制成长方体块状压坯(压坯密 度约为理论密度的70% )。然后使用5kW连续C02激光器对压坯进行加热，直到自蔓延反 应发生为止，停止加热，自然冷却后收集反应产物。将收集的反应产物放入到反应釜中，加入10% H2S04腐蚀液100ml并不断搅拌，在 常温下腐蚀40h后，过滤，以去离子水洗涤滤饼，直至洗涤液为中性为止，然后将滤饼在烘 箱中烘干10h，即可得到高纯度的TiC陶瓷微粉，产率85%，平均颗粒尺寸为2. 0 y m。实施例3将43. 5克Ti02粉末(平均粒度< 80 100 ii m)、6. 5克C粉末(平均粒度< 100 150 ii m)、50克A1粉末(平均粒度< 200 250 u m)放入混料机中球磨20h，均勻混合后， 在Y/TD71半自动液压机上以30 40MPa的压力单向静压压制成长方体块状压坯(压坯密 度约为理论密度的80% )。然后使用5kW连续C02激光器对压坯进行加热，直到自蔓延反 应发生为止，停止加热，自然冷却后收集反应产物。将收集的反应产物放入到反应釜中，加入20% H2S04腐蚀液100ml并不断搅拌，在 常温下腐蚀30h后，过滤，以去离子水洗涤滤饼，直至洗涤液为中性为止，然后将滤饼在烘 箱中烘干10h，即可得到高纯度的TiC陶瓷微粉，产率75%，平均颗粒尺寸为2. 8 y m。
权利要求
激光诱导自蔓延高温合成TiC粉体的方法，是以Al粉、C粉和TiO2粉为原料，按照下述质量百分比混合并压制成压坯，TiO2 43.5～60.9wt％C 6.5～9.1wt％Al 30～50wt％采用激光诱导自蔓延高温合成方法合成出含有Al2O3的TiC初级产物，再以酸性腐蚀液萃取腐蚀掉Al2O3，得到TiC粉体。
2.根据权利要求1所述的激光诱导自蔓延高温合成TiC粉体的方法，其特征是包括以 下步骤a).将A1粉、C粉和Ti02粉按照上述质量百分比混合，于混料机中球磨10 20h，混合 料粉以30 40MPa的单向静压压力压制成长方体压坯，然后用5kW连续C02激光器对压坯 加热，至自蔓延反应发生，停止加热，自然冷却得到TiC初级产物；b).将燃烧得到的TiC初级产物置于盛有酸性腐蚀液的反应釜中，于常温下腐蚀30 40h，过滤，以去离子水洗涤粉体至中性，烘干得到高纯度的微细TiC粉体。
3.根据权利要求1或2所述的激光诱导自蔓延高温合成TiC粉体的方法，其特征是所 述的酸性腐蚀液是5 25wt% HC1溶液或者10 30wt% H2S04溶液。
4.根据权利要求1或2所述的激光诱导自蔓延高温合成TiC粉体的方法，其特征是 所述的A1粉粒度小于200 250 u m, Ti02粉粒度小于80 100 u m, C粉粒度小于100 150 u m。
全文摘要
激光诱导自蔓延高温合成TiC粉体的方法，是以Al粉、C粉和TiO2粉为原料，按照TiO243.5～60.9wt％、C 6.5-9.1wt％、Al 30～50wt％的质量百分比混合压制成压坯，采用激光诱导自蔓延高温合成方法合成出含有Al2O3的TiC初级产物，然后以酸性腐蚀液萃取腐蚀掉Al2O3，得到高纯度的微细TiC粉体。本发明采用激光诱导自蔓延高温合成方法结合化学纯化方法合成高纯度TiC粉体，降低了生产成本，形成的产物TiC晶粒细小，平均粒度可以达到2～3μm，不需要破碎，避免了由于破碎带来的二次污染。
文档编号C01B31/30GK101857227SQ20101019126
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月31日 优先权日2010年5月31日
发明者刘斌, 李玉新, 王建宏, 白培康 申请人:中北大学