CN103556086B - 一种抗高温耐磨损Ti（C,N）金属陶瓷复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗高温耐磨损Ti（C,N）金属陶瓷复合材料的制备方法，将碳纤维进行去胶、分散等前处理，处理后和原料、粘结相进行球磨混合，烘干，掺成型剂、造粒、过筛，干压成形、排胶处理等工艺步骤，最后通过无压气氛烧结得到碳纤维补强增韧Ti（C,N）基金属陶瓷复合材料。其碳纤维分散均匀，碳纤维与金属陶瓷基体的界面结合适中，碳纤维的强韧化效果明显，抗弯强度和断裂韧性分别提高了8.4%和26.7%，增韧方式是纤维拔出、裂纹偏转和桥联效应。其工艺简单，可操作性强，成本低廉，可广泛用于金属切削、模具、能源装备、机械、矿山、石油、化工、冶金、电力、汽车、模具、建材、航空航天等领域在高温下承受磨损的特殊关键零部件。

Description

一种抗高温耐磨损Ti（C,N）金属陶瓷复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料及耐摩擦磨损、耐高温零部件的技术应用领域，涉及一种复合材料的制备方法，特别涉及一种抗高温耐磨损Ti(C,N)金属陶瓷复合材料的制备方法。

背景技术

碳纤维拥有良好的高温力学性能和热性能，并且具有高的纵横比，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和比模量的纤维，特别是在2000℃以上的高温惰性环境中，碳纤维是唯一强度不降低的结构材料，是一种理想的复合材料增强体。无压气氛烧结技术具有操作简单、周期短、成本低、形状可塑性强等特点，可以避免热压烧结技术难以制备形状复杂件的缺陷，在工业生产高温结构材料领域具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种抗高温耐磨损Ti（C,N）金属陶瓷复合材料的制备方法，通过设计原始粉料配比、纤维的前处理工艺以及烧结工艺参数的确定，制备出强度及塑韧性综合性能优异、使用寿命可靠、成本低廉的抗高温、耐摩擦磨损金属陶瓷材料。

为了实现上述任务，本发明采用的以下的技术解决方案：

一种抗高温耐磨损Ti(C,N)金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一，原料：

原料的质量百分比配方：

TiN：11%，WC：10%，Cr₃C₂：1%，C：1%，Mo：12%，稀土Y₂O₃：0.4%～1.6%，TiC：余量，原料的质量百分比之和为100％；

在原料的配方中，按照原料总量添加粘结相和碳纤维，其中，粘结相用量为原料总量的15%；

所述的碳纤维剪裁成4um，在马弗炉中400℃保温30min进行去胶处理，然后置于超声波清洗机中分散30min，于干燥箱80℃烘干后使用，碳纤维的用量为原料总量的2%～5%；

步骤二，球磨混料：

将原料、粘结相和碳纤维置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉；

步骤三，掺成型剂：

在步骤二均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶；

步骤四，造粒、过筛：

采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行均匀造粒，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料；

步骤五，干压成形：

将造粒、过筛后的粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体；

步骤六，排胶处理：

将干压成形的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，排胶处理工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降至室温；

步骤七，烧结：

将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，在氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结过程是，升温至1220℃，保温2h，再升温至1450℃～1500℃，保温50min，保温结束后，随炉降至室温，得到抗高温耐磨损Ti(C,N)金属陶瓷复合材料。

根据本发明，上述粘结相由Ni和Co组成，粘结相中Ni的用量为原料总量的15%；或者，粘结相中Ni的用量为原料总量的10%，Co用量为原料总量的5%，或者粘结相中Ni的用量为原料总量的5%，Co用量为原料总量的10%。

本发明采用碳纤维补强增韧Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料，通过纤维的去胶、分散，与原始粉料混合、干燥、压制成型、脱脂等处理工艺，最终利用无压气氛烧结技术制备出短碳纤维补强增韧Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料。其抗弯强度≥900MPa，断裂韧性≥11.0MPa·m^1/2，硬度≥17.0GPa，高温红硬性、耐磨性和抗冲击韧性优异，化学稳定性高，抗弯强度和断裂韧性分别提高了8.4%和26.7%，增韧方式是纤维拔出、裂纹偏转和桥联效应。同时，工艺简单、生产周期短、成本低并且易于推广。在断裂过程中通过纤维桥联、裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等机理吸收能量，提高材料的塑韧性，同时又兼顾Ti(C,N)基金属陶瓷优异的高温性能，能够有效地避免材料在热循环服役条件下的灾难性失效，是性能优异的高温耐磨结构材料，可广泛适用于能源装备、机械、矿山、石油、化工、冶金、电力、汽车、模具、建材、航空航天等领域在高温下承受磨损的特殊关键零部件，例如，采矿设备及各类工程机械的耐磨耗件（采掘工具、钻探凿岩钎子、掘进机锥、旋转钻探钻头、截齿、喷射泵头、阀座和阀杆等）、各类发动机高温部件、喷嘴、轧辊、高温气体过滤器件、热交换器、发热管、炉芯管、各种密封件、阀门、轴承泵体、各种反应器衬套、过流管道、以及石油钻探、催化裂化装置的双动滑阀导轨等零部件，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的抗高温耐磨损Ti(C,N)金属陶瓷复合材料的工艺流程图；

图2是实施例11制备的Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的高倍表面形貌电镜照片；

图3是实施例1中添加粘结相Ni、Co得到的Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的断口形貌电镜照片，显示硬质相脱离形成的大量韧窝和粘结相被拔出发生塑性变形形成的撕裂棱；

图4是实施例2中粘添加结相选择Ni得到的Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的断口形貌电镜照片，显示硬质相脱离形成的大量韧窝和粘结相被拔出发生塑性变形形成的撕裂棱；

图5是实施例3中添加粘结相Ni、Co得到的Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的断口形貌电镜照片，显示硬质相脱离形成的大量韧窝和粘结相被拔出发生塑性变形形成的撕裂棱；

图6是实施例4中添加粘结相Ni、Co得到的Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的断口形貌电镜照片，显示硬质相脱离形成的大量韧窝和粘结相被拔出发生塑性变形形成的撕裂棱；

图7是实施例5中加入稀土Y₂O₃，添加粘结相Ni、Co得到的Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的断口形貌电镜照片，显示断裂的韧窝及细化的晶粒。

图8是实施例6中加入稀土Y₂O₃，添加粘结相Ni、Co得到Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的断口形貌电镜照片，显示断裂的韧窝、发达的撕裂棱及细化的晶粒。

图9是实施例7中加入稀土Y₂O₃，添加粘结相Ni、Co得到的Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的断口形貌电镜照片，显示断裂的韧窝及细化的晶粒。

图10是实施例8中添加稀土Y₂O₃，添加粘结相Ni、Co得到的Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的断口形貌电镜照片，显示断裂的韧窝及细化的晶粒。

图11是实施例9中添加稀土Y₂O₃，添加粘结相Ni、Co以及碳纤维得到的Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的断口形貌电镜照片，显示断裂的韧窝及纤维断裂、拔出。

图12是实施例10中添加稀土Y₂O₃，添加粘结相Ni、Co以及碳纤维得到的Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的断口形貌电镜照片，显示断裂的韧窝及纤维断裂、拔出。

图13是实施例11中添加稀土Y₂O₃，添加粘结相Ni、Co以及碳纤维得到的Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的断口形貌电镜照片，显示断裂的韧窝及大量纤维断裂、拔出。

图14是实施例12中添加稀土Y₂O₃，添加粘结相Ni、Co以及碳纤维得到的Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的断口形貌电镜照片，显示断裂的韧窝及大量纤维断裂、拔出。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

针对现有的高温金属陶瓷复合材料存在强韧性及抗冲击值偏低、制备周期长、成本高的缺陷或不足，申请人通过优化设计粘结相Ni/Co比例、稀土Y₂O₃含量以及碳纤维含量和前处理工艺，可以有效地提高材料的高温抗氧化性、红硬性，细化硬质相晶粒，同时，改善碳纤维与Ti(C,N)金属陶瓷基体的润湿性，改变Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的断裂模式，提高Ti(C,N)金属陶瓷材料的强韧性。这种短碳纤维增强Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料的增韧机制是：在断裂过程中，纤维桥联、裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等均会消耗大量的能量，从而使其具有很高的断裂功和断裂韧性值。

需要说明的是，以下的实施例用于进一步理解本发明，本发明不限于这些实施例，按照本发明的技术方案，均可获得综合性能优异的短碳纤维/Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料。

实施例中的PVA胶主要的作用是将原料和粘结相进行粘接，因此没有限定用量，可根据常规的工艺需要做适当调整。

实施例1：

（1）球磨混料：利用精密天平按以下质量百分比称量粒径为3μm左右的原料：TiN：11%，WC：10%，Cr₃C₂：1%，C：1%，Mo：12%，TiC：65%。

在原料中添加粘结相，粘结相选择Ni和Co（粒径为3μm），其中Ni的用量为原料总量的10%，Co的用量为原料总量的5%。

将原料、粘结相置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉。

（2）掺成型剂：在步骤（1）均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶。

（3）造粒、过筛：采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行均匀造粒，造粒时间为50min，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料。

（4）干压成形：将过筛后的均匀混合粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体。

（5）排胶处理：将干压成形后的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，排胶处理工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降至室温。

（6）最后将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，在氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结工艺为：升温至1450℃，保温50min，保温结束后，随炉降至室温，即得Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料（图3）。

实施例2：

（1）球磨混料：利用精密天平按以下质量百分比称量粒径为3μm左右的原料：TiN：11%，WC：10%，Cr₃C₂：1%，C：1%，Mo：12%，TiC：65%。

本实施例中，在原料中添加粘结相，粘结相选择Ni（粒径为3μm），Ni的用量为原料总量的15%。

将原料、粘结相置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉。

（2）掺成型剂：在步骤（1）均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶。

（3）造粒、过筛：采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行均匀造粒，造粒时间为50min，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料。

（4）干压成形：将造粒、过筛后的均匀混合粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体。

（5）排胶处理：将干压成形后的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，排胶处理工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降温。

（6）最后将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结工艺为：升温至1220℃，保温2h，再升温至1450℃，保温50min，保温结束后，随炉降至室温，得到Ti(C,N)金属陶瓷复合材料（图4）。

实施例3：

（1）球磨混料：利用精密天平按以下质量百分比称量粒径为3μm左右的原料：TiN：11%，WC：10%，Cr₃C₂：1%，C：1%，Mo：12%，TiC：65%。

本实施例中，在原料中添加粘结相，粘结相选择Ni和Co（粒径为3μm），Ni的用量为原料总量的10%，Co的用量为原料总量的5%。

将原料、粘结相置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉。

（2）掺成型剂：在步骤（1）均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶。

（3）造粒、过筛：采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行均匀造粒，造粒时间50min，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料。

（4）干压成形：将造粒、过筛后的均匀混合粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体。

（5）排胶处理：将干压成形后的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，排胶处理工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降至室温。

（6）最后将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，在氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结工艺为：升温至1220℃，保温2h，再升温至1450℃，保温50min，保温结束后，随炉降至室温，得到Ti(C,N)金属陶瓷复合材料（图5）。

实施例4：

（1）球磨混料：利用精密天平按以下质量百分比称量粒径为3μm左右的原料：TiN：11%，WC：10%，Cr₃C₂：1%wt，C：1%，、Mo：12%，TiC：65%。

在原料中添加粘结相，粘结相选择Ni和Co（粒径为3μm），其中Ni的用量为原料总量的5%，Co的用量为原料总量的10%。

将原料、粘结相置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉。

（2）掺成型剂：在步骤（1）均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶。

（3）造粒、过筛：采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行均匀造粒，造粒时间50min，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料。

（4）干压成形：将造粒、过筛后的均匀混合粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体。

（5）排胶处理：将干压成形后的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，排胶处理工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降至室温。

（6）最后将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，在氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结工艺为：升温至1220℃，保温2h，再升温至1450℃，保温50min，保温结束后，随炉降至室温，即得Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料（图6）。

实施例5：

（1）球磨混料：利用精密天平按以下质量百分比称量粒径为3μm左右的原料：TiN：11%，WC：0（未添加），Cr₃C₂：1%，C：1%，Mo：12%，稀土Y₂O₃：0.4%，TiC：74.6%。

在原料中添加粘结相，粘结相选择Ni和Co（粒径为3μm），其中Ni的用量为原料总量的10%，Co的用量为原料总量的5%。

将原料、粘结相置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉。

（2）掺成型剂：在步骤（1）均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶。

（3）造粒、过筛：采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行均匀造粒，造粒时间为50min，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料。

（4）干压成形：将过造粒、筛后的均匀混合粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体。

（5）排胶处理：将干压成形后的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，排胶处理工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降至室温。

（6）最后将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，在氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结工艺：升温至1220℃，保温2h，再升温至1500℃，保温50min，保温结束后，随炉降至室温，即得Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料（图7）。

实施例6：

（1）球磨混料：利用精密天平按以下质量百分比称量粒径为3μm左右的原料：TiN：11%，WC：10%，Cr₃C₂：1%，C：1%，Mo：12%，稀土Y₂O₃：0.8%，TiC：64.2%。

在原料中添加粘结相，粘结相选择Ni和Co（粒径为3μm），其中Ni的用量为原料总量的10%，Co的用量为原料总量的5%。

将原料、粘结相置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉。

（2）掺成型剂：在步骤（1）均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶。

（3）造粒、过筛：采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行均匀造粒，造粒时间50min，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料。

（4）干压成形：将造粒、过筛后的均匀混合粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体。

（5）排胶处理：将干压成形后的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，排胶处理工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降至室温。

（6）最后将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，在氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结工艺：升温至1220℃，保温2h，再升温至1500℃，保温50min，，保温结束后，随炉降至室温，即得Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料（图8）。

实施例7：

（1）球磨混料：利用精密天平按以下质量百分比称量粒径为3μm左右的原料：TiN：11%，WC：10%，Cr₃C₂：1%，C：1%，Mo：12%，稀土Y₂O₃：1.2%，TiC：63.8%。

在原料中添加粘结相，粘结相选择Ni和Co（粒径为3μm），其中Ni的用量为原料总量的10%，Co的用量为原料总量的5%。

将原料、粘结相置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉。

（2）掺成型剂：在步骤（1）均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶。

（3）造粒、过筛：采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行均匀造粒，造粒时间50min，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料。

（4）干压成形：将造粒、过筛后的均匀混合粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体。

（5）排胶处理：将干压成形后的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，排胶处理工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降至室温。

（6）最后将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，在氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结工艺：升温至1220℃，保温2h，再升温至1500℃，保温50min，保温结束后，随炉降至室温，即得Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料（图9）。

实施例8：

（1）球磨混料：利用精密天平按以下质量百分比称量粒径为3μm左右的原料：TiN：11%，WC：10%，Cr₃C₂：1%，C：1%，Mo：12%，稀土Y₂O₃：1.6%，TiC：63.4%。

在原料中添加粘结相，粘结相选择Ni和Co（粒径为3μm），其中Ni的用量为原料总量的10%，Co的用量为原料总量的5%。

将原料、粘结相置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉。

（2）掺成型剂：在步骤（1）均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶。

（3）造粒、过筛：采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行均匀造粒，造粒时间50min，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料。

（4）干压成形：将过筛后的均匀混合粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体。

（5）排胶处理：将干压成形后的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降至室温。

（6）最后将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，在氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结工艺：升温至1220℃，保温2h，再升温至1500℃，保温50min，保温结束后，随炉降至室温，即得Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料（图10）。

实施例9：

（1）球磨混料：利用精密天平按以下质量百分比称量粒径为3μm左右的原料：TiN：11%，WC：10%，Cr₃C₂：1%，C：1%，Mo：12%，TiC：65%。

在原料中添加粘结相，粘结相选择Ni和Co（粒径为3μm），其中Ni的用量为原料总量的10%，Co的用量为原料总量的5%。

同时将碳纤维剪裁成4um左右，在马弗炉中400℃保温30min进行去胶处理，然后将置于超声波清洗机中分散30min，于干燥箱80℃烘干后使用，碳纤维的用量为原料总量的2%。

将原料、粘结相和碳纤维置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉。

（2）掺成型剂：在步骤（1）均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶。

（3）造粒、过筛：采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行造粒，造粒时间50min，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料。

（4）干压成形：将过筛后的混有碳纤维的均匀混合粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体。

（5）排胶处理：将干压成形后的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，排胶处理工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降至室温。

（6）最后将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，在氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结工艺：升温至1220℃，保温2h，再升温至1500℃，保温50min，保温结束后，随炉降至室温，即得到碳纤维增强Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料（图11）。

实施例10：

（1）球磨混料：利用精密天平按以下质量百分比称量粒径为3μm左右的原料：TiN：11%，WC：10%，Cr₃C₂：1%，C：1%，Mo：12%，TiC：65%。

在原料中添加粘结相，粘结相选择Ni和Co（粒径为3μm），其中Ni的用量为原料总量的10%，Co的用量为原料总量的5%。

同时将碳纤维剪裁成4um左右，在马弗炉中400℃保温30min进行去胶处理，然后将置于超声波清洗机中分散30min，于干燥箱80℃烘干后使用，碳纤维的用量为原料总量的3%。

将原料、粘结相和碳纤维置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉。

（2）掺成型剂：在步骤（1）均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶。

（3）造粒、过筛：采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行均匀造粒，造粒时间50min，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料。

（4）干压成形：将造粒、过筛后的混有碳纤维的均匀混合粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体。

（5）排胶处理：将干压成形后的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，排胶处理工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降至室温。

（6）最后将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，在氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结工艺：升温至1220℃，保温2h，再升温至1500℃，保温50min，，保温结束后，随炉降至室温，即得到短碳纤维增强Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料（图12）。

实施例11：

（1）球磨混料：利用精密天平按以下质量百分比称量粒径为3μm左右的原料：TiN：11%，WC：10%，Cr₃C₂：1%，C：1%，Mo：12%，TiC：65%。

在原料中添加粘结相，粘结相选择Ni和Co（粒径为3μm），其中Ni的用量为原料总量的5%，Co的用量为原料总量的10%。

同时将碳纤维剪裁成4um左右，在马弗炉中400℃保温30min进行去胶处理，然后将置于超声波清洗机中分散30min，于干燥箱80℃烘干后使用，碳纤维的添加量为原料总量4%。

将原料、粘结相和碳纤维置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉。

（2）掺成型剂：在步骤（1）均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶。

（3）造粒、过筛：采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行均匀造粒，造粒时间50min，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料。

（4）干压成形：将造粒、过筛后的混有碳纤维均匀混合粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体。

（5）排胶处理：将干压成形后的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降至室温。

（6）最后将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，在氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结工艺：升温至1220℃，保温2h，再升温至1500℃，保温50min，保温结束后，随炉降至室温，即得到短碳纤维增强Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料（图2，图13）。

实施例12：

（1）球磨混料：利用精密天平按以下质量百分比称量粒径为3μm左右的原料：TiN：11%，WC：10%，Cr₃C₂：1%，C：1%，Mo：12%，TiC：65%.

在原料中添加粘结相，粘结相选择Ni和Co（粒径为3μm），其中Ni的用量为原料总量的10%，Co的用量为原料总量的5%。

同时将碳纤维剪裁成4um左右，在马弗炉中400℃保温30min进行去胶处理，然后将置于超声波清洗机中分散30min，于干燥箱80℃烘干后使用，碳纤维添加量为原料总量5%。

将原料、粘结相和碳纤维置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉。

（2）掺成型剂：在步骤（1）均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶。

（3）造粒、过筛：采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行均匀造粒，造粒时间50min，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料。

（4）干压成形：将过筛后的混有碳纤维均匀混合粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体。

（5）排胶处理：将干压成形后的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降至室温。

（6）最后将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，在氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结工艺：升温至1220℃，保温2h，在升温至1500℃，保温50min，保温结束后随后随炉降至室温，即得到短碳纤维增强Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料（图14）。

经测试，上述实施例9~实施例12制备的短碳纤维/Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料，其抗弯强度≥900MPa，断裂韧性≥11.0MPa·m^1/2，硬度≥17.0GPa，高温红硬性、耐磨性和抗冲击韧性优异，化学稳定性高。抗弯强度和断裂韧性分别提高了8.4%和26.7%，增韧方式是纤维拔出、裂纹偏转和桥联效应。

Claims (1)

1.一种抗高温耐磨损Ti(C,N)金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一，原料：

原料的质量百分比配方：

TiN：11%，WC：10%，Cr₃C₂：1%，C：1%，Mo：12%，稀土Y₂O₃：0.4%～1.6%，TiC：余量，原料的质量百分比之和为100％；

在原料的配方中，按照原料总量添加粘结相和碳纤维，其中，粘结相用量为原料总量的15%；

所述的碳纤维剪裁成4um，在马弗炉中400℃保温30min进行去胶处理，然后置于超声波清洗机中分散30min，于干燥箱80℃烘干后使用，碳纤维的用量为原料总量的2%～5%；

步骤二，球磨混料：

将原料、粘结相和碳纤维置于行星式球磨机中球磨混合24h，于烘箱80℃烘干后，制得均匀混合粉；

步骤三，掺成型剂：

在步骤二均匀混合粉中加入成型剂，成型剂采用质量分数为5%的PVA胶；

步骤四，造粒、过筛：

采用手工造粒法对掺有成型剂的混合粉料进行均匀造粒，造粒后过60目筛，得到粒径大小均匀的粉料；

步骤五，干压成形：

将造粒、过筛后的粉料置于金属模具中，在压力机上施压180MPa，保压3min，得到预制体；

步骤六，排胶处理：

将干压成形的预制体置于真空脱脂炉进行排胶处理，排胶处理工艺为：加热至200℃，保温2h，升温至400℃，保温4h，升温至600℃，保温2h，升温至800℃，保温2h，随后随炉降至室温；

步骤七，烧结：

将排胶处理后的预制体置于烧结炉中，在氩气保护下进行无压气氛烧结，烧结过程是，升温至1220℃，保温2h，再升温至1450℃～1500℃，保温50min，保温结束后，随炉降至室温，得到抗高温耐磨损Ti(C,N)金属陶瓷复合材料；

其中，所述的粘结相为Ni，Ni的用量为原料总量的15%；或者，所述的粘结相由Ni和Co组成，粘结相中Ni的用量为原料总量的10%，Co用量为原料总量的5%；或者，所述的粘结相由Ni和Co组成，粘结相中Ni的用量为原料总量的5%，Co用量为原料总量的10%。