CN102249697A - 反应助剂促进烧结硼化钛陶瓷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种反应助剂促进烧结硼化钛陶瓷的方法，属于结构陶瓷领域。本发明利用添加低温下可以反应的复合添加剂Ti和B/B4C/C为烧结助剂，利用烧结助剂之间的原位反应生成新的具有较好烧结活性的二相粒子来促进TiB2陶瓷的烧结，在1800～2000℃温度下热压制备相对密度大于97％的TiB2陶瓷。采用这种方法所生成的第二相(硼化钛或碳化钛)具有和基体同样较高的熔点，保证了烧结助剂不会对材料的高温力学性能带来不利的影响。

Description

反应助剂促进烧结硼化钛陶瓷的方法
技术领域
本发明涉及一种反应助剂促进烧结硼化钛陶瓷的方法，属于结构陶瓷领域。
背景技术
TiB2陶瓷具有高熔点，高化学稳定性、耐腐蚀、抗氧化，高硬度、优异的耐磨性，良好的导电性和导热性等优良的物理与化学性能，因此被作为最有希望得到广泛应用的硼化物陶瓷而备受关注。
尽管TiB2有一系列优异性能，但迄今为止，TiB2陶瓷的应用仍然受到很大的制约，其原因就在于难以获得致密的TiB2烧结体。TiB2陶瓷一般要在高温(＞2000℃)高压(＞30MPa)下才能获得致密的烧结体，而在如此高的烧结温度又会促使晶粒生长过大，因此通常会考虑添加剂的引入。以往的研究一般采用添加烧结助剂通过生成液相的方式改善其烧结性能，如添加金属烧结助剂Ni、Fe、Cr或非金属烧结助剂AlN、S3N4、MoSi2等，但是，陶瓷的晶界或三叉晶界处残余的低熔点相会对陶瓷的高温力学性能和抗腐蚀性能产生不利的影响。因此，探索其它烧结助剂或烧结方法，在不影响材料性能的条件下实现其致密化是极其有必要的。
为了获得性能优良的TiB2陶瓷材料，必须采用对高温性能无影响的烧结助剂来实现致密化。因此，通过反应烧结的方法，使加入的烧结助剂能互相反应，生成热力学稳定的组成相的制备工艺，既降低了烧结温度，又不会影响材料的高温使用性能，必将成为研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反应助剂烧结硼化钛陶瓷的制备方法。
为实现本发明的目的，本发明提供三种可以选择的技术方案。
本发明的技术方案一包括以下步骤：
(1)选用Ti粉体的粒径小于45μm，B粉体粒径小于1μm，按照Ti，B摩尔比1∶(1～3)的配比作为烧结助剂；
(2)以乙醇为溶剂，将烧结助剂先超声分散，然后使用辊式混料机混合，再按配比加入粒径小于10μm的TiB2粉体混合成浆料，烧结助剂用量为5～15wt％，所得的浆料烘干后得到混合均匀的粉料，过筛；
(3)将混合均匀的粉体放在内壁表面涂覆BN的石墨模具中，真空气氛下以5～20℃/min升温至1400～1500℃保温0.5～2h，随后氩气气氛下以5～20℃/min并施加10～50MPa的压力升温至1800-2000℃保温0.5～2h。
本发明的技术方案二包括以下步骤：
(1)选用Ti粉体的粒径小于45μm，B4C粉体粒径小于2μm，以Ti，B4C摩尔比为3∶(0.5～2)的配比作为烧结助剂；
(2)以乙醇为溶剂，将烧结助剂先超声分散，然后使用辊式混料机混合，再按配比加入粒径小于10μm的TiB2粉体混合成浆料，烧结助剂用量为5～15wt％，所得的浆料烘干后得到混合均匀的粉料，过筛；
(3)将混合均匀的粉体放在内壁表面涂覆BN的石墨模具中，真空气氛下以5～20℃/min升温至1400～1500℃保温0.5～2h，随后氩气气氛下以5～20℃/min并施加10～50MPa的压力升温至1800-2000℃保温0.5～2h。
本发明的技术方案三包括以下步骤：
(1)选用Ti粉体的粒径小于45μm，C粒径小于2μm，以Ti，C摩尔比为1∶(0.5～2)的配比作为烧结助剂；
(2)以乙醇为溶剂，将烧结助剂先超声分散，然后使用辊式混料机混合，再按配比加入粒径小于10μm的TiB2粉体混合成浆料，烧结助剂用量为5～15wt％，所得的浆料烘干后得到混合均匀的粉料，过筛；
(3)将混合均匀的粉体放在内壁表面涂覆BN的石墨模具中，真空气氛下以5～20℃/min升温至1400～1500℃保温0.5～2h，随后氩气气氛下以5～20℃/min并施加10～50MPa的压力升温至1800-2000℃保温0.5～2h。
本发明通过以颗粒尺寸小于10μm的TiB2粉体为原料，加入可以反应的烧结助剂(1)Ti+B，(2)Ti+B4C，(3)Ti+C，加热过程中烧结助剂发生反应，生成具有较高活性的TiB2或TiC二相颗粒，通过热压烧结的方法，在1800-2000℃的温度下制备出相对密度大于97％的TiB2基材料。
本发明的优点在于：
(1)本发明适用于价格便宜，粒度相对较大的TiB2原料
(2)原位反应生成具有较高烧结活性的第二相粒子(硼化钛或碳化钛)促进TiB2陶瓷致密化，所获得的TiB2材料相对密度大于97％。
(3)原位反应生成的第二相(硼化钛或碳化钛)具有较高熔点，不会对基体材料的高温性能产生不利的影响。
(4)所制备材料组分可调，显微结构均匀，粒径小。
附图说明
图1.硼化钛中加入10wt％(Ti+B)反应助剂后在1800℃烧结1h后的断裂表面形貌，气孔较多
图2.硼化钛中加入10wt％(Ti+B)反应助剂后在2000℃烧结1h后的断裂表面形貌，致密度达到98％
图3.硼化钛中加入10wt％(Ti+B4C)反应助剂后在2000℃烧结1h后的断裂表面形貌，气孔较少，致密度达到98％
图4.硼化钛中加入10wt％(Ti+C)反应助剂后在2000℃烧结1h后的断裂表面形貌，晶粒较均匀，致密度达到97％。
具体实施方式
实施例1
以硼化钛(＜10μm)粉为原料，钛粉(＜45μm)和硼粉(1-5μm)为烧结助剂，设计反应助剂Ti和B的添加量为10wt％。将2.07g钛粉和0.93g硼粉加入到塑料罐中，加入乙醇超声分散15min后，在辊式混料机上以氮化硅球为介质混料12h，后加入27g硼化钛，继续混磨12h。随后用旋转蒸发器干燥，然后200目过筛，得到含反应烧结助剂的硼化钛粉体。将混合均匀的粉体放在内壁表面涂覆BN的石墨模具中，在真空中进行反应烧结，烧结时升温速率为10℃/min，温度升至1450时保温30min，保温结束后，施加30MPa的压力，在氩气气氛下以10℃/min升温至1800℃，保温保压1h。材料致密度达到77％。显微结构如图1所示。
实施例2
按照实施例1中的方法得到含反应烧结助剂的硼化钛粉体。将混合均匀的粉体放在内壁表面涂覆BN的石墨模具中，在真空中进行反应烧结，烧结时升温速率为10℃/min，温度升至1450时保温30min，保温结束后，施加30MPa的压力，在氩气气氛下以10℃/min升温至2000℃，保温保压1h。材料致密度达到98％。显微结构如图2所示。
实施例3
以硼化钛(＜10μm)为原料，钛粉(＜45μm)和碳化硼粉(1～5μm)为烧结助剂，设计反应助剂Ti和B4C的添加量为10wt％。将2.17g钛粉和0.83g碳化硼粉加入到塑料罐中，加入乙醇超声分散15min后，在辊式混料机上以氮化硅球为介质混料12h后，加入27g硼化钛，混合12h，然后用旋转蒸发器干燥，过200目筛，得到含反应烧结助剂的硼化钛粉体。按照实施例1的方法制备陶瓷，烧结温度1800℃，保温保压1h。材料致密度达到74％。
实施例4
按照实施例3中的方法得到含反应烧结助剂的硼化钛粉体。将混合均匀的粉体放在内壁表面涂覆BN的石墨模具中，在真空中进行反应烧结，烧结时升温速率为10℃/min，温度升至1450时保温30min，保温结束后，施加30MPa的压力，在氩气气氛下以10℃/min升温至2000℃，保温保压1h。材料致密度达到98％。显微结构如图3所示。
实施例5
以硼化钛(＜10μm)为原料，钛粉(＜45μm)和碳粉(1～5μm)为烧结助剂，设计反应助剂Ti和C的添加总量为10wt％。将2.4g钛粉和0.6g碳粉加入到塑料罐中，加入乙醇超声分散15min后，在辊式混料机上以氮化硅球为介质混料12h后，加入27g硼化钛，继续混磨12h，然后用旋转蒸发器干燥，过200目筛，得到含反应烧结助剂的硼化钛粉体。按照实施例1的方法制备陶瓷，烧结温度2000℃，保温保压1h。材料致密度达到97％。显微结构如图4所示。

Claims (6)

1.反应助剂促进烧结硼化钛陶瓷的方法，包括以下步骤：
(1)选用Ti粉体，B粉体，按照Ti，B摩尔比1∶(1～3)的配比作为烧结助剂；
(2)以乙醇为溶剂，将烧结助剂先超声分散，然后混合，再按配比加入TiB2粉体混合成浆料，烧结助剂用量为5～15wt％，所得的浆料烘干后过筛；
(3)将混合均匀的粉体放在内壁表面涂覆B N的石墨模具中，真空气氛下以5～20℃/min升温至1400～1500℃保温0.5～2h，随后氩气气氛下以5～20℃/min并施加10～50MPa的压力升温至1800-2000℃保温0.5～2h。
2.按权利要求1所述的反应助剂促进烧结硼化钛陶瓷的方法，其特征在于所述Ti粉体的粒径小于45μm，B粉体粒径小于1μm，TiB2粉体粒径的小于10μm。
3.反应助剂促进烧结硼化钛陶瓷的方法，包括以下步骤：
(1)选用Ti粉体的粒径小于45μm，B4C粉体粒径小于2μm，以Ti，B4C摩尔比为3∶(0.5～2)的配比作为烧结助剂；
(2)以乙醇为溶剂，将烧结助剂先超声分散，然后混合，再按配比加入粒径小于10μm的TiB2粉体混合成浆料，，烧结助剂用量为5～15wt％，所得的浆料烘干后过筛；
(3)将混合均匀的粉体放在内壁表面涂覆BN的石墨模具中，真空气氛下以5～20℃/min升温至1400～1500℃保温0.5～2h，随后氩气气氛下以5～20℃/min并施加10～50MPa的压力升温至1800-2000℃保温0.5～2h。
4.按权利要求3所述的反应助剂促进烧结硼化钛陶瓷的方法，其特征在于所述Ti粉体的粒径小于45μm，B4C粉体粒径小于2μm，TiB2粉体粒径的小于10μm。
5.反应助剂促进烧结硼化钛陶瓷的方法，包括以下步骤：
(1)选用Ti粉体的粒径小于45μm，C粒径小于2μm，以Ti，C摩尔比为1∶(0.5～2)的配比作为烧结助剂；
(2)以乙醇为溶剂，将烧结助剂先超声分散，然后使用辊式混料机混合，再按配比加入粒径小于10μm的TiB2粉体混合成浆料，烧结助剂用量为5～15wt％，所得的浆料烘干后过筛；
(3)将混合均匀的粉体放在内壁表面涂覆BN的石墨模具中，真空气氛下以5～20℃/min升温至1400～1500℃保温0.5～2h，随后氩气气氛下以5～20℃/min并施加10～50MPa的压力升温至1800-2000℃保温0.5～2h。
6.按权利要求5所述的反应助剂促进烧结硼化钛陶瓷的方法，其特征在于所述Ti粉体的粒径小于45μm，C粒径小于2μm，TiB2粉体粒径的小于10μm。
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