CN102249682A - 一种铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料及其制备方法，是以TiC、铁(Fe)粉、铝(Al)粉为原料，通过机械合金化工艺制备Fe-Al合金粉末材料，然后与TiC细粉球磨混料制粉，在保护气氛下或在真空条件下热压烧结成型。本发明利用金属间化合物中温性能优异的特点来弥补碳化钛陶瓷材料的脆性不足，生产出了一种性能价格比合理、性能优良、先进实用的碳化钛陶瓷复合材料，开辟了陶瓷复合材料更广泛的用途。

Description

一种铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料科学与纳米材料科学领域，特别涉及以碳化钛陶瓷为基体，铁铝金属间化合物为增强体的复合材料及其制备方法。 
背景技术
碳化钛陶瓷具有良好的高温强度、高的强度，同时还具有高的弹性模量、耐烧蚀性能和耐磨性，广泛应用于刀具、模具和硬质合金材料领域。然而，碳化钛陶瓷的脆性大、韧性不足和抗热震性能差，在一定程度上限制了它的应用。为了扩大TiC的应用范围，特别是高温应用，许多研究者试图通过添加第二相对TiC陶瓷进行增强和增韧。目前对TiC陶瓷基复合材料主要有两类增强相，即金属类，如Ni，Mo增强的TiC陶瓷基复合材料；另一类是陶瓷类颗粒、晶须或纤维，如SiC、TiB2晶粒或晶须。这些增强相加入在一定程度上改善TiC陶瓷的综合性能，但是都存在一些缺陷，例如金属的熔点一般较低，膨胀系数较高，且与TiC陶瓷的润湿性差；陶瓷颗粒增强效果有限，这些都弱化了增强效果的提高，现有的材料组成无法满足复合材料在苛刻环境条件下的应用。专利号为01110155.5的中国专利“三氧化二铝-碳化钛基纳米复合陶瓷及其制备方法”公开了一种主要成分为Al2O3和TiC的陶瓷基复合材料，抗弯强度和断裂韧性均有提高。但检索结果发现，以碳化钛陶瓷为基体，铁铝金属间化合物为增强体的复合材料及其制备方法还未见报道。 
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高强度、高韧性的铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料及其制备方法。 
本发明所述铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料，由Fe-Al金属间化合物和碳化钛制成，其特征是：所述复合材料各组分的质量百分比(wt％)为：TiC 85-55％，Fe-Al金属间化合物15-45％；其中，Fe-Al金属间化合物中各组分原子百分比是：铝25～50％，余量为铁。 
上述复合材料各组分的质量百分比(wt％)优选为：TiC 68-72％，Fe-Al金属间化合物28-32％；其中，Fe-Al金属间化合物中各组分原子百分比是：铝30～40％，余量为铁。 
本发明所述铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料的制备方法，步骤是： 
(1)将铁粉和铝粉按原子百分比为铝25～50％，余量为铁的比例配料，利用球磨过程进行机械合金化，形成主晶相为Fe3Al和FeAl的混合物； 
(2)将主晶相为Fe3Al和FeAl的混合物与TiC细粉按质量百分比为TiC 85-55％，Fe-Al金属间化合物15-45％的比例配料，然后一起球磨制粉； 
(3)把球磨后粉体材料装入石墨模具中，在真空中或用氮气作保护气体，以放电等离子体法在1000～1100℃，压力为20～30MPa条件下热压烧结，得铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料。 
上述铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料的制备方法中：所述热压烧结温度优选是1050℃，压力是25MPa。 
本发明所述铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料还可以按如下方式制备，步骤是： 
(1)将铁粉和铝粉按原子百分比为铝25～50％，余量为铁的比例配料，再按质量百分比为TiC 85-55％，Fe-Al金属间化合物15-45％的比例配料，然后一起球磨制粉； 
(2)把球磨后粉体材料装入石墨模具中，在真空中或用氮气作保护气体，以放电等离子体法在1000～1100℃，压力为20～30MPa条件下热压烧结，得铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料。 
本发明公开的铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料的制备方法，可以对增强相和制备方法进行优化选择，改善碳化钛陶瓷的综合性能，硬度可以提高30％，抗弯强度可以提高50％。 
本发明利用金属间化合物中温性能优异的特点来弥补碳化钛陶瓷材料的脆性不足，生产出了一种性能价格比合理、性能优良、先进实用的碳化钛陶瓷复合材料，开辟了陶瓷复合材料更广泛的用途。 
具体实施方式
实施例1： 
复合材料配比(wt％)为：将铁铝粉体15％，TiC为85％。其制备方法如下，首先，将铁粉10.1千克、铝粉4.9千克于球磨机中球磨50小时，然后加入TiC粉85千克，混合2小时，经真空干燥后用100目筛筛选。装入石墨模具中压实，然后连同模具一起移入放电等离子体烧结(SPS)设备中，升温至1000℃，采用20MPa的压力，烧结20min，冷却后取出退模。所制得复合材料得硬度为70(HRC)，抗弯强度为880MPa。 
实施例2： 
复合材料配比(wt％)为：将铁铝粉体30％，TiC为70％。其制备方法如下，首先，将铁粉21.5千克、铝粉8.5千克于球磨机中球磨40小时，然后加入TiC粉70千克，混合4小时，经真空干燥后用100目筛筛选。装入石墨模具中压实，然后连同模具一起移入放电等离子体烧结(SPS)设备中，升温至1050℃，采用25MPa的压力，烧结15min，冷却后取出退模。所制得复合材料得硬度为70(HRC)，抗弯强度为880MPa所制得复合材料得硬度为75(HRC)，抗弯强度为900MPa。 
实施例3： 
将铁粉13.8千克、铝粉2.2千克和TiC粉84千克同时加入球磨机中球磨70小时，经真空干燥后用100目筛筛选。装入石墨模具中压实，然后连同模具一起移入放电等离子体烧结(SPS)设备中，升温至1100℃，采用30MPa的压力，烧结10min，冷却后取出退模。所制得复合材料得硬度为80(HRC)，抗弯强度为950MPa。 

Claims (5)

1.一种铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料，由Fe-Al金属间化合物和碳化钛制成，其特征是：所述复合材料各组分的质量百分比为：TiC 85-55％，Fe-Al金属间化合物15-45％；其中，Fe-Al金属间化合物中各组分原子百分比是：铝25～50％，余量为铁。
2.如权利要求1所述的铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料，其特征是：所述复合材料各组分的质量百分比为：TiC 68-72％，Fe-Al金属间化合物28-32％；其中，Fe-Al金属间化合物中各组分原子百分比是：铝30～40％，余量为铁。
3.权利要求1所述铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料的制备方法，步骤是：
(1)将铁粉和铝粉按原子百分比为铝25～50％，余量为铁的比例配料，利用球磨过程进行机械合金化，形成主晶相为Fe3Al和FeAl的混合物；
(2)将主晶相为Fe3Al和FeAl的混合物与TiC细粉按质量百分比为TiC 85-55％，Fe-Al金属间化合物15-45％的比例配料，然后一起球磨制粉；
(3)把球磨后粉体材料装入石墨模具中，在真空中或用氮气作保护气体，以放电等离子体法在1000～1100℃，压力为20～30MPa条件下热压烧结，获得铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料。
4.如权利要求3所述铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料的制备方法，其特征是：所述热压烧结温度是1050℃，压力是25MPa。
5.权利要求1所述铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料的制备方法，步骤是：
(1)将铁粉和铝粉按原子百分比为铝25～50％，余量为铁的比例配料，再按质量百分比为TiC 85-55％，Fe-Al金属间化合物15-45％的比例配料，然后一起球磨制粉；
(2)把球磨后粉体材料装入石墨模具中，在真空中或用氮气作保护气体，以放电等离子体法在1000～1100℃，压力为20～30MPa条件下热压烧结，得铁铝金属间化合物增强碳化钛陶瓷复合材料。 
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