一种钛‑硅‑碳增强型氧化铝基多相复合材料及其制备方法与流程

本发明属于碳化物掺加陶瓷基金属复合材料的制备技术领域，涉及一种钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料及其制备方法。

背景技术：

近些年，金属陶瓷复合材料的研究备受关注，其中Al₂O₃陶瓷是应用最广泛的陶瓷材料之一。氧化铝基陶瓷复合材料有耐磨损、耐腐蚀、耐高温、高硬度等特点，且具备优越的抗氧化性和化学稳定性，价格低廉，资源丰富。目前已被广泛应用于航空航天、医疗、汽车发动机、电子元件、机械材料等领域。但氧化铝陶瓷的韧性较低，限制了其生产应用。

目前，三元的碳化物以及氮化物陶瓷因其本身特殊的层状结构而含有优异的性能，不仅有陶瓷特性，同时还包含金属特性，改善了陶瓷的脆性，提高了韧性，而Ti₃SiC₂是三元碳化物中的最受瞩目的陶瓷材料之一，三元Ti₃SiC₂材料的机械性能优越，在高温下有着良好的抗氧化性。但Ti₃SiC₂增强氧化铝的多相复合材料存在硬度、相对密度较低的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的上述问题，提供一种钛-碳增强型氧化铝基多相复合材料，具有相对密度高，硬度、韧性、强度大等优点。

同时，本发明还提供了上述钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料的制备方法。

本发明技术方案如下：

一种钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1）混合粉料的制备：将按体积比40：40～50：10～20量取钛粉、氧化铝粉和碳化硅粉，以酒精为分散介质，粉料与酒精体积比为1：6，氧化铝球为球磨介质，球磨4h，球磨后的料浆置于70℃干燥24h，充分干燥为粉料后，过50目筛，得到混合粉料；

2）真空热压烧结：将混合粉料置于真空热压炉中，在20～60MPa压力下，1400～1800℃热压烧结1～5h，得钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料。

步骤1）中，所述的碳化硅粉占所用粉料总体积比为10~20%；

步骤1）中，所述的钛粉、氧化铝粉和碳化硅粉体积比优选40:40:20；

步骤1）中，所述的钛粉的粒径为0.5～2μm，氧化铝粉的粒径为0.5～3μm，碳化硅粉的粒径为0.5～2μm。

步骤2）中，所述的烧结，升温速率为5～20℃/min。

步骤2）中，真空热压炉中，优选30MPa压力下，1600℃热压烧结2h。

一种上述方法制备的钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料。

所述的钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料，由以下质量百分含量的成分组成：钛45～47%，硅5～12%，碳3～5%，氧17～36 %，余量为铝；

所述的钛、碳和部分硅元素以TiC、Ti₅Si₃、Ti₃SiC₂化合物粒子的形式镶嵌于氧化铝基体中，剩余硅元素以原子形式固溶于复合材料的孔隙中，两部分硅元素的比例为70～75：25～30。

所述的钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料为板状或柱状，并有层状结构，尺寸为3～5μm。

所述的钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料相对密度为90～99%；显微硬度为10～25GPa，弯曲强度为200～600MPa，断裂韧性为3～15 MPa ·m^1/2。

本发明多相复合材料，通过掺加的碳化硅粉与钛生成了新的化合物，其中TiC、Ti₃SiC₂起增强增韧效果，半熔融的Si填充于材料的部分孔隙中，从而在热压条件下获得相对密度高，硬度、韧性、强度大的氧化铝基多相复合材料。SiC作为仅次于金刚石和B₄C的第三硬度材料，具有优良的机械性能和化学稳定性，SiC颗粒加入氧化铝基多相复合材料中，有利于减少金属化合物TiAl、Ti₃Al的生成。本发明未加碳化硅之前材料为片状颗粒，存在一定量的气孔，随着碳化硅的加入，材料的晶粒逐渐增大，气孔逐渐缩小，并伴随部分气孔消失。最重要的是SiC与Ti反应，形成了TiC、Ti₅Si_3、Ti₃SiC₂等新的化合物，其中TiC、Ti₃SiC₂起增强增韧效果，同时TiC的生成大大提高了材料的强度，半熔融相的Si填充于部分孔隙中，促进材料的致密化，从而在热压条件下得到综合性能优越的氧化铝基多相复合材料。

本发明制备方法相比现有技术的优越性在于：

（1）本发明制备的陶瓷基复合材料相较于无掺杂钛/氧化铝复合材料，半熔融相的Si填充于孔隙中，相对密度得到了进一步的提升，给热压烧结氧化铝基陶瓷复合材料提供了一种较为优良的烧结助剂；

（2）本发明掺加的碳化硅，能使钛与碳化硅反应产生新的物质，抑制了钛铝金属间化合物的生成，形成了新的化合物，其中新相TiC、Ti₃SiC₂起增强增韧效果，使其强度、断裂韧性得到了很大的提高；

（3）本发明操作流程比较简单，且原料成本相对较低，产品性能优越，对实际应用生产有着重要意义。

附图说明

图1为实施例1中掺加碳化硅的氧化铝基多相复合材料的XRD图谱；

图2为实施例1中掺加碳化硅的氧化铝基多相复合材料的的断面SEM图；

图3为对比例1中氧化铝基多相复合材料的XRD图谱；

图4为对比例1中氧化铝基多相复合材料的的断面SEM图。

具体实施方式

结合具体实施例描述本发明，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均包括在本发明的范围内。

实施例1

一种钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料的制备方法，步骤为：

1）将钛粉、氧化铝粉、碳化硅粉按体积比40：40：20混合，以酒精为分散介质，粉料与酒精分散体积比为1:6，氧化铝球为球磨介质，于聚四氟乙烯罐中球磨4h；球磨后的料浆置于干燥箱中，在70℃条件下干燥24h；充分干燥为粉料后，过50目筛得到混合粉料；

2）取30g混合粉料于真空热压炉中，置于直径45mm的石墨模具中1500℃、30MPa条件下烧结2h，升温速率10℃/min，得钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料。

经测定，实施例1钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料为3～5μm的长柱状或板状，并有层状结构，由以下质量百分含量的成分组成：钛46.1 %，硅11.4 %，碳 4.9%，氧 17.7 %，余量为铝；所述的钛、碳和部分硅元素以TiC、Ti₅Si₃、Ti₃SiC₂化合物粒子的形式镶嵌于氧化铝基体中，剩余硅元素以原子形式固溶于复合材料的孔隙中，两部分硅的比例为3:1。相对密度为97.76%，弯曲强度437.26MPa，显微硬度为19.61 GPa，断裂韧性为9.95MPa ·m^1/2。X射线衍射分析显示（图像如图1所示），添加碳化硅后，Ti与SiC之间形成了新的化合物，产物包括TiC、Ti₅Si_3、Ti₃SiC₂，此时的产物Ti₃SiC₂含量增加，材料的性能得到进一步提高。同时，通过扫描电镜分析（图像如图2所示），可见其接触层的结合更为紧密，进一步提升了复合材料的强度。

实施例2

一种钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料的制备方法，步骤为：

1）将钛粉（1μm）、氧化铝粉（1μm）、碳化硅粉（800nm）按体积比40：45：15混合，以酒精为分散介质，分散体积比为1:6，氧化铝球为球磨介质，于聚四氟乙烯罐中球磨4h；球磨后的料浆置于干燥箱中，在70℃条件下干燥24h；充分干燥为粉料后，过50目筛得到混合粉料；

2）取30g混合粉料于真空热压炉中，置于直径45mm的石墨模具中1500℃、30MPa条件下烧结2h，升温速率10℃/min，得钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料。

经测定，实施例2钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料为3～5μm的长柱状或板状，并有层状结构，由以下质量百分含量的成分组成：钛 45.8 %，硅8.5%，碳3.6 %，氧19.8 %，余量为铝；所述的钛、碳和部分硅元素以TiC、Ti₅Si₃、Ti₃SiC₂化合物粒子的形式镶嵌于氧化铝基体中，剩余硅元素以原子形式固溶于复合材料的孔隙中，两部分硅的比例为37:14。相对密度为98.47％，弯曲强度431.23MPa，显微硬度为19.52GPa，断裂韧性为7.83MPa ·m^1/2，材料的性能得到了显著地提高。X射线衍射分析显示，添加碳化硅后，Ti与SiC形成了新的化合物，Ti被消耗，产物包括TiC、Ti₅Si_3、Ti₃SiC₂，其中TiC、Ti₃SiC₂起增强增韧作用，提高材料的强度和韧性，其中半熔融的Si填充于部分孔隙中，这对提高材料的密度有着重要的意义，通过扫描电镜分析发现，接触层的结合较为紧密，复合材料的强度得到进一步提升。

实施例3

一种钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料的制备方法，步骤为：

1）将钛粉（1μm）、氧化铝粉（1μm）、碳化硅粉（800nm）按体积比40：50：10混合，以酒精为分散介质，分散体积比为1:6，氧化铝球为球磨介质，于聚四氟乙烯罐中球磨4h；球磨后的料浆置于干燥箱中，在70℃条件下干燥24h；充分干燥为粉料后，过50目筛得到混合粉料；

2）取30g混合粉料于真空热压炉中，置于直径45mm的石墨模具中1500℃、30MPa条件下烧结2h，升温速率10℃/min，得钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料。

经测定，实施例2钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料为3～5μm的长柱状或板状，并有层状结构，由以下质量百分含量的成分组成：钛 45.6 %，硅 5.6 %，碳2.4 %，氧21.8 %，余量为铝；所述的钛、碳和部分硅元素以TiC、Ti₅Si₃、Ti₃SiC₂化合物粒子的形式镶嵌于氧化铝基体中，剩余硅元素以原子形式固溶于复合材料的孔隙中，两部分硅的比例为7:3。相对密度为96.48％，弯曲强度392.39MPa，显微硬度为17.61GPa，断裂韧性为6.87MPa ·m^1/2，材料的性能得到了显著地提高。X射线衍射分析显示，添加碳化硅后，Ti与SiC形成了新的化合物，Ti被消耗，产物包括TiC、Ti₅Si_3、Ti₃SiC₂，其中TiC、Ti₃SiC₂起增强增韧作用，提高材料的强度和韧性，其中半熔融的Si填充于部分孔隙中，这对提高材料的密度有着重要的意义，通过扫描电镜分析发现，接触层的结合更为紧密，可以提升复合材料的强度。

对比例1

将钛粉（1μm）、氧化铝粉（1μm）按40：60的体积比进行配制，以酒精为分散介质，分散体积比为1:6，氧化铝球为球磨介质，在聚四氟乙烯罐中球磨4h；球磨后的料浆置于干燥箱中在70℃条件下干燥24h；将干燥后的粉料过50目筛得到混合粉料；取30g混合粉料置于直径45mm的石墨模具中1500℃、30MPa条件下烧结2h，升温速率10℃/分钟；制得样品。

经测定，样品的相对密度为94.52％，弯曲强度为324.46MPa，显微硬度为15.48GPa，断裂韧性为4.63MPa ·m^1/2。X射线衍射分析表明（图像如图3所示），样品中有大量的TiAl和Ti₃Al金属间化合物的生成，这些物质具有较强的室温脆性，会大大降低复合材料整体的强度和韧性。同时，通过扫描电镜分析我们发现钛与铝的晶界比较明显（图像如图4所示），两者之间结合力较弱。