CN105481365A

CN105481365A - 一种高致密化碳化钛陶瓷的制备方法

Info

Publication number: CN105481365A
Application number: CN201410469275.XA
Authority: CN
Inventors: 张辉; 黄政仁; 刘学建
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2014-09-15
Publication date: 2016-04-13

Abstract

本发明涉及一种高致密化碳化钛陶瓷的制备方法，所述方法包括：1）将TiC粉体与烧结助剂，依次进行混合、成型和脱粘处理，得到碳化钛陶瓷材料素坯，其中烧结助剂为WC、B₄C、Cr₃C₂、VC、C中的至少一种；2）将步骤1）制备的碳化钛陶瓷材料素坯在常压、2100~2250℃、惰性气体氛围下烧结，得到致密化的碳化钛陶瓷。<b />

Description

一种高致密化碳化钛陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷材料的制备方法，具体涉及一种高致密化碳化钛陶瓷的制备方法。

背景技术

碳化钛(TiC)陶瓷具有低密度(4.93g/cm³)、高熔点(3160℃)、高硬度(努氏硬度～32GPa)、高电导(3.0×10⁷S/m)、良好的热化学稳定性和耐磨损能力等，从而广泛应用于高温、腐蚀、磨损等极端环境中，例如切削刀具、耐磨涂层、防弹材料、涡轮引擎密封和核反应堆部件等。

然而，TiC材料具有极强的烧结惰性，很难常压烧结得到高致密度的烧结体。目前主要采用热压烧结、放电等离子烧结等方法来实现其致密化，但是这些设备复杂、昂贵，且只能制备形状简单的小尺寸部件，限制了材料的应用，而常压烧结则不存在这些问题。因此，为了提高TiC材料的常压烧结性能，目前主要采用加入烧结助剂的方法。研究中对TiC陶瓷烧结制备中加入的烧结助剂可分为高温金属(主要为Ni，Fe，Co等)及其合金(主要为Ni基合金，如Ni-Mo、Ni-Mo-Cr等)、金属间化合物(主要为Ni、Ti、Fe的铝化物和硅化物等)和第二相陶瓷(主要有SiC、TiB₂、Al₂O₃等)等。

例如张辅魁采用Ni做粘合剂来制作TiC基硬质合金(中国发明专利CN201310217111.3)；蒋阳等人采用Ni-Mo合金制备了TiC基硬质合金(201010524049.9)；PaulF.Becher等人(J.Eur.Ceram.Soc.,18(1997),395–400)以Ni3Al为烧结助剂常压烧结制备了TiC陶瓷；NuriDurlu等人(J.Eur.Ceram.Soc.,19(1999),2415–2419)以Fe3Si和FeAl为烧结助剂常压烧结得到了TiC陶瓷；J.Cabrero等人(J.Eur.Ceram.Soc.,31(2011),313–320)采用放电等离子烧结得到了致密的TiC-SiC陶瓷。

上述方法主要存在以下问题：1、有的烧结助剂的加入仍然需要采用热压烧结等方法才能实现材料的致密化，只是可以适当降低热压烧结的温度，生产效率低，成本高；2、大部分金属及其合金烧结助剂的热物理性能相对于陶瓷基体来说较差，大大降低了烧结体材料的性能，尤其是高温热物理性能等，因而影响了材料的使用。

发明内容

本发明旨在克服高致密化碳化钛陶瓷制备方法的缺陷，本发明提供了一种采用常压烧结制备高致密化碳化钛陶瓷的方法。

本发明提供了一种碳化钛陶瓷材料的常压烧结致密化方法，所述方法包括：

1)将TiC粉体与烧结助剂，依次进行混合、成型和脱粘处理，得到碳化钛陶瓷材料素坯，其中烧结助剂为WC、B₄C、Cr₃C₂、VC、C中的至少一种；

2)将步骤1)制备的碳化钛陶瓷材料素坯在常压、2100～2250℃、惰性气体氛围下烧结，得到致密化的碳化钛陶瓷。

较佳地，步骤1)中，TiC粉体的粒径小于0.5μm。

较佳地，步骤1)中，烧结助剂的加入量与TiC粉体质量之比≦10％。

较佳地，步骤1)中，脱粘处理的工艺参数为：升温速率0.5—5℃/分钟，脱粘温度800—1200℃，保温时间0.5—4小时。

较佳地，步骤1)中，碳化钛陶瓷烧结过程中无液相生成，为固相烧结。

较佳地，步骤2)中，烧结采用石墨碳管炉，烧结过程中升温速率为5—10℃/分钟，烧结时间为1-4小时。

较佳地，制备的致密化碳化钛陶瓷，致密度≧98％。

本发明的有益效果：

由于非氧化物还原性烧结助剂WC、B₄C、Cr₂C₃、VC和C等本身具有良好的热化学稳定性，并且它们在TiC陶瓷烧结体中的含量很少，几乎不影响TiC陶瓷的高温性能；常压烧结TiC陶瓷材料的致密度较高，甚至达到完全致密；另外，生产效率高，成本低。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施方式中制备的碳化钛陶瓷，烧结助剂C(以及WC等)均匀地分布在TiC陶瓷基体中；

图2示出了本发明的一个实施方式中制备的碳化钛陶瓷，烧结助剂B₄C与TiC反应生成的TiB₂第二相均匀地分布在TiC陶瓷基体中。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明的目的是为了解决TiC陶瓷常压烧结致密化困难的问题，提供一种TiC陶瓷常压固相烧结致密化的方法，减小烧结助剂对材料性能的影响，促进材料的应用。

本发明属于一种陶瓷材料的制备方法，具体为一种碳化钛陶瓷常压烧结致密化的方法。以亚微米级碳化钛粉体(以平均粒径小于0.5μm的亚微米TiC粉体)为主要原料，引入还原性碳化物烧结助剂，以WC、B₄C、Cr₃C₂、VC、C等的一种或者几种为烧结助剂，按照常规的陶瓷工艺混料、成型、脱粘后，在氩气气氛保护下烧结，可实现碳化钛陶瓷的常压烧结致密化，材料烧结后的致密度可以达到98％T.D.(理论密度)以上。

烧结助剂的加入量为碳化钛粉体质量的0～10wt％。

所用的碳化钛粉体是商业化粉体，且粒径为亚微米级(或者采用球磨处理后可以达到亚微米)。

烧结过程中没有液相生成，为常压固相烧结。

原料粉体依次按照混料、成型、脱粘和高温烧结工艺制备致密碳化钛陶瓷，且高温烧结采用石墨碳管炉。

氩气气氛保护下的常压烧结，并且烧结过程中炉内氩气气氛的压力要维持在一个标准大气压，即为常压气氛烧结。

烧结的工艺参数为：升温速率为5～10℃/min，烧结温度为2100～2250℃，烧结保温时间为1～4小时，随炉降温即可。可得到烧结密度达到98～100％T.D.(理论密度)的致密TiC陶瓷。

本发明的优点在于：由于非氧化物还原性烧结助剂WC、B₄C、Cr₂C₃、VC和C等本身具有良好的热化学稳定性，并且它们在TiC陶瓷烧结体中的含量很少，几乎不影响TiC陶瓷的高温性能；常压烧结TiC陶瓷材料的致密度较高，甚至达到完全致密；另外，生产效率高，成本低。

以下进一步列举出一些示例性的实施例以更好地说明本发明。应理解，本发明详述的上述实施方式，及以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。另外，下述工艺参数中的具体配比、时间、温度等也仅是示例性，本领域技术人员可以在上述限定的范围内选择合适的值。

实施例一

1、以平均粒径0.37μm的商业化TiC粉体为主要原料，加入烧结助剂C为3wt％，球磨混料后，压制试条(20MPa/30s)，冷等静压(200MPa/120s)，脱粘(升温速率5℃/分钟，脱粘温度1200℃，保温时间3小时)后进行常压烧结，碳化钛陶瓷材料素坯的尺寸为：45.5×8×6mm；

2、在氩气气氛下，炉内压力维持在一个标准大气压左右常压烧结，烧结温度为2250℃，烧结时间为2小时；

TiC陶瓷烧结体的致密度可以达到98.8％；

如图1所示，TiC陶瓷烧结体中烧结助剂C均匀地分布在TiC陶瓷基体中。

实施例二

1、以平均粒度0.37μm的商业化TiC粉体为主要原料，加入烧结助剂B4C为8wt％，球磨混料后，压制试条(20MPa/30s)，冷等静压(200MPa/120s)，脱粘(升温速率0.5℃/分钟，脱粘温度900℃，保温时间0.5小时)后进行常压烧结，碳化钛陶瓷材料素坯的尺寸为：45.5×8×6mm；

2、在氩气气氛下，炉内压力维持在一个标准大气压左右常压烧结，烧结温度为2200℃，烧结时间为2小时，TiC陶瓷烧结体的致密度可以达到100％；

如图2所示，TiC陶瓷烧结体中烧结助剂B4C与TiC反应生成的TiB₂均匀地分布在TiC陶瓷基体中。

实施例三

1、以平均粒度0.37μm的商业化TiC粉体为主要原料，加入烧结助剂B₄C和C，分别为4wt％和3wt％，球磨混料后，压制试条(20MPa/30s)，冷等静压(200MPa/120s)，脱粘(升温速率2℃/分钟，脱粘温度1100℃，保温时间2小时)后进行常压烧结，碳化钛陶瓷材料素坯的尺寸为：45.5×8×6mm；

2、在氩气气氛下，炉内压力维持在一个标准大气压左右常压烧结，烧结温度为2250℃，烧结时间为2小时，TiC陶瓷烧结体的致密度可以达到99.9％。

实施例四

1、以平均粒度0.24μm的TiC粉体为主要原料，加入烧结助剂WC为8wt％，充分混料后，压制试条(20MPa/30s)，冷等静压(200MPa/120s)，脱粘(升温速率3℃/分钟，脱粘温度1200℃，保温时间3小时)后进行常压烧结，碳化钛陶瓷材料素坯的尺寸为：45.5×8×6mm；

2、在氩气(Ar)气氛下，炉内压力维持在一个标准大气压左右常压烧结，烧结温度为2150℃，烧结时间为2小时，TiC烧结体的致密度可以达到98.7％T.D.；烧结温度为2250℃，烧结时间为2小时，TiC烧结体的致密度可以达到99.5％T.D.。

实施例五

1、以商业化微米级TiC粉体研磨粉碎处理后的粉体(平均粒度0.25μm)为主要原料，加入烧结助剂WC和B₄C，分别为为8wt％和2wt％，充分混料后，压制试条(20MPa/30s)，冷等静压(200MPa/120s)，脱粘(升温速率2℃/分钟，脱粘温度900℃，保温时间1小时)后进行常压烧结，碳化钛陶瓷材料素坯的尺寸为：45.5mm×8mm×6mm；

2、在氩气(Ar)气氛下，炉内压力维持在一个标准大气压左右常压烧结，烧结温度为2150℃，烧结时间为2小时，TiC烧结体的致密度可以达到100％T.D.。

实施例六

1、以商业化微米级TiC粉体研磨粉碎处理后的粉体(平均粒度0.25μm)为主要原料，加入烧结助剂B₄C和C，分别为4wt％和2wt％，充分混料后，压制试条(20MPa/30s)，冷等静压(200MPa/120s)，脱粘(升温速率5℃/分钟，脱粘温度1200℃，保温时间4小时)后进行常压烧结，碳化钛陶瓷材料素坯的尺寸为：45.5mm×8mm×6mm；

2、在氩气(Ar)气氛下，炉内压力维持在一个标准大气压左右常压烧结，烧结温度为2150℃，烧结时间为2小时，TiC烧结体的致密度可以达到98％T.D.；烧结温度为2250℃，烧结时间为2小时，TiC烧结体的致密度可以达到100％T.D.。

实施例七

1、以平均粒度0.24μm的TiC粉体(也可以是商业化粉体经过研磨粉碎处理后的粉体)为主要原料，加入烧结助剂Cr₃C₂和C，分别为4wt％和2wt％，充分混料后，压制试条(20MPa/30s)，冷等静压(200MPa/120s)，脱粘(升温速率1℃/分钟，脱粘温度1000℃，保温时间1小时)后进行常压烧结，碳化钛陶瓷材料素坯的尺寸为：45.5mm×8mm×6mm；

2、在氩气(Ar)气氛下，炉内压力维持在一个标准大气压左右常压烧结，烧结温度为2200℃，烧结时间为2小时，TiC烧结体的致密度可以达到98.2％T.D.。

实施例八

1、以平均粒度0.24μm的TiC粉体(也可以是商业化粉体经过研磨粉碎处理后的粉体)为主要原料，加入烧结助剂VC和C，分别为4wt％和2wt％，充分混料后，压制试条(20MPa/30s)，冷等静压(200MPa/120s)，脱粘(升温速率4℃/分钟，脱粘温度1100℃，保温时间3小时)后进行常压烧结，碳化钛陶瓷材料素坯的尺寸为：45.5mm×8mm×6mm；

2、在氩气(Ar)气氛下，炉内压力维持在一个标准大气压左右常压烧结，烧结温度为2250℃，烧结时间为2小时，TiC烧结体的致密度可以达到98.5％T.D.。

Claims

1.一种碳化钛陶瓷材料的常压烧结致密化方法，其特征在于，所述方法包括：

1）将TiC粉体与烧结助剂，依次进行混合、成型和脱粘处理，得到碳化钛陶瓷材料素坯，其中烧结助剂为WC、B₄C、Cr₃C₂、VC、C中的至少一种；

2）将步骤1）制备的碳化钛陶瓷材料素坯在常压、2100~2250℃、惰性气体氛围下烧结，得到致密化的碳化钛陶瓷。

2.根据权利要求1所述的常压烧结致密化方法，其特征在于，步骤1）中，TiC粉体的粒径小于0.5μm。

3.根据权利要求1或2所述的常压烧结致密化方法，其特征在于，步骤1）中，烧结助剂的加入量与TiC粉体质量之比≦10%。

4.根据权利要求1-3中任一所述的常压烧结致密化方法，其特征在于，步骤1）中，脱粘处理的工艺参数为：升温速率0.5—5℃/分钟，脱粘温度800—1200℃，保温时间0.5—4小时。

5.根据权利要求1-4中任一所述的常压烧结致密化方法，其特征在于，步骤1）中，碳化钛陶瓷烧结过程中无液相生成，为固相烧结。

6.根据权利要求1-5中任一所述的常压烧结致密化方法，其特征在于，步骤2）中，烧结采用石墨碳管炉，烧结过程中升温速率为5—10℃/分钟，烧结时间为1-4小时。

7.根据权利要求1-5中任一所述的常压烧结致密化方法，其特征在于，制备的致密化碳化钛陶瓷，致密度≧98%。