CN109851361A - 一种放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料 - Google Patents

Abstract

为了改善粉末合金的硬度、耐磨性，设计了一种放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料。采用Ti3SiC2粉，金刚石颗粒为原料，所制得的放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。其中，当金刚石粒度较细时，在1000℃烧结温度下，基体主相是TiCx，TiC和Ti3SiC2，随温度升高，TiCx逐渐转变成TiC，当温度升高至1200℃时，基体主相为TiC，含少量Ti3SiC2。含较粗金刚石的复合材料较致密，存在大量板条状Ti3SiC2晶粒以及少量颗粒状TiC。金刚石与Ti3SiC2晶粒间存在很薄的TiC过渡层，金刚石颗粒与基体结合良好。随烧结温度升高，材料的磨削性能提高。本发明能够为制备高性能的Ti3SiC2/金刚石复合材料提供一种新的生产工艺。

Description

一种放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料

所属技术领域

本发明涉及一种粉末冶金材料，尤其涉及一种放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料。

背景技术

随着高新技术产业的发展，新型材料特别是新型功能材料的种类和需求量不断增加，材料新的功能呼唤新的制备技术。放电等离子烧结是制备功能材料的一种全新技术，它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。

金刚石是目前在地球上发现的众多天然存在中最坚硬的物质，金刚石化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，金刚石的用途非常广泛，如精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模。还被作为很多精密仪器的部件。

发明内容

本发明的目的是为了改善粉末合金的硬度、耐磨性，设计了一种放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料的制备原料包括：Ti3SiC2粉，金刚石颗粒。

放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入行星球磨机中进行湿磨，球磨介质为直径10mm的硬质合金球，球磨机转速为60r/min，球料比为8:1，球磨时间为24h。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃，随后加入成形剂进行制粒。将制好的粉末加至单柱液压机中进行压制成形，压制压力为180MPa。将制好的压坯置于石墨舟皿上，放入放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结温度为1200℃，保温时间为90min。

放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料的检测步骤为：物相分析采用Riga转靶X射线衍射仪分析，断口形貌采用场发射扫描电镜观察，微区成分采用能谱仪分析，磨耗比采用DHM2型磨耗比测定仪测试。

所述的放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料，当金刚石粒度较细时，在1000℃烧结温度下，基体主相是TiCx，TiC和Ti3SiC2，随温度升高，TiCx逐渐转变成TiC，当温度升高至1200℃时，基体主相为TiC，含少量Ti3SiC2。用W20金刚石制备的复合材料存在许多气孔，Ti3SiC2的粒度也较小。

所述的放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料，当金刚石粒度较粗时，烧结温度为1000℃，结合剂的主相为Ti3SiC2与TiCx。烧结温度为1200℃时，含30/40目金刚石的复合材料的结合剂主相为TiC和Ti5Si3，含少量Ti3SiC2，含120/140目金刚石的复合材料结合剂主相为TiC，含少量Ti3SiC2。含较粗金刚石的复合材料较致密，存在大量板条状Ti3SiC2晶粒以及少量颗粒状TiC。金刚石与Ti3SiC2晶粒间存在很薄的TiC过渡层，金刚石颗粒与基体结合良好。

所述的放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料，随烧结温度升高，材料的磨削性能提高。用粒度为120/140目的金刚石颗粒制备的Ti3SiC2结合剂/金刚石复合材料磨削性能最好，当烧结温度为1200℃时其磨耗比达到7000。

本发明的有益效果是：

采用Ti3SiC2粉，金刚石颗粒为原料，经过配料、球磨、干燥、制粒、成形、烧结工艺成功制备了具有优异力学性能的放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料。其中，当金刚石粒度较粗时，烧结温度为1000℃，结合剂的主相为Ti3SiC2与TiCx。随烧结温度升高，材料的磨削性能提高。所制得的放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的Ti3SiC2/金刚石复合材料提供一种新的生产工艺。

具体实施方式

实施案例1：

放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料的制备原料包括：Ti3SiC2粉，金刚石颗粒。放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入行星球磨机中进行湿磨，球磨介质为直径10mm的硬质合金球，球磨机转速为60r/min，球料比为8:1，球磨时间为24h。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃，随后加入成形剂进行制粒。将制好的粉末加至单柱液压机中进行压制成形，压制压力为180MPa。将制好的压坯置于石墨舟皿上，放入放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结温度为1200℃，保温时间为90min。放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料的检测步骤为：物相分析采用Riga转靶X射线衍射仪分析，断口形貌采用场发射扫描电镜观察，微区成分采用能谱仪分析，磨耗比采用DHM2型磨耗比测定仪测试。

实施案例2：

采用W20金刚石粉末，当温度为1300℃时，产物由Ti3SiC2，TiC，TiCx，Si和金刚石构成。随烧结温度升高，Ti3SiC2和金刚石的衍射峰强度逐渐下降，Si衍射峰逐渐增强。Ti3SiC2分解加剧，同时更多的金刚石转变为相应的化合物TiC和SiC。当温度达到1600℃时，产物中主相为TiC，检测不到钛硅相。Ti3SiC2基本分解完全，由于温度超过了Si的熔点，Ti3SiC2分解形成的Si迅速从样品中逸出，来不及与TiC反应转变成钛硅相。用粒度为较大的金刚石制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料，烧结温度为1300℃时主相为Ti3SiC2，Si和TiCx，没有发生其它反应。随温度升高，Si的衍射峰强度逐渐变弱，同时出现TiC和钛硅相的衍射峰，TiC和钛硅相的衍射峰显著增强。当温度为1600℃时，与含W20的复合材料一样，主相为TiC与TiCx，含少量Si和金刚石等相。在1300℃烧结温度下，用粒度为40/50目金刚石制备的复合材料与用粒度为较大的金刚石制备的复合材料一样，主相都为Ti3SiC2，Si和TiCx。但烧结温度为1500~1600℃时，二者的物相组成差别很大。特别是在1600℃烧结时，用40/50目金刚石制备的复合材料基体主相为Ti5Si3和TiC。在含最细粒度金刚石的材料中发现SiC相的存在，而含较粗粒度金刚石的2种材料中均没有发现SiC相，粒度细的金刚石可促进SiC的形成。

实施案例3：

1300℃下烧结的材料有许多金刚石小颗粒，颗粒表面有一层过渡层，基体由大量板条状Ti3SiC2组织和颗粒状TiC组织组成，基体中存在许多孔隙，金刚石颗粒表面形成的过渡层厚度约1µm。1400℃下烧结的材料形貌与1300℃烧结的较接近，但温度达到1500℃时金刚石颗粒被严重侵蚀，表面凹凸不平。不同烧结温度下，金刚石都很好地嵌入基体结合剂中。基体为大量板条状Ti3SiC2晶粒，组织均较致密。金刚石与基体结合良好。金刚石与Ti3SiC2晶粒间存在厚度约3~4µm的过渡层。通过能谱分析确认过渡层为TiC晶粒，平均晶粒度为160nm。借由这个过渡层，金刚石与Ti3SiC2板条状晶粒良好地结合。

实施案例4：

金刚石都很好地镶嵌在Ti3SiC2基体中，与基体结合很紧密，基体组织较致密，金刚石与基体结合良好，金刚石与基体间有厚度约1µm的TiC过渡层。金刚石粒度不同，复合材料的显微形貌差异明显，特别是金刚石与基体的界面反应程度差异较大。金刚石粒度较细小时，参与反应的金刚石比例较大，同时与基体间存在明显的孔隙。而当金刚石粒度较粗大时参与反应的金刚石比例较小，因而金刚石颗粒表面形成的过渡层更薄，同时复合材料基体较致密。材料的磨耗比随烧结温度升高而提高。在烧结温度相同的条件下，添加W20细颗粒金刚石的材料磨耗比较低。在烧结温度较低时，添加金刚石的复合材料磨耗比最大。随烧结温度升高到1400℃，金刚石的材料磨耗比相近，但烧结温度为1500℃时，粗颗粒金刚石的磨耗比远高于添加细金刚石颗粒的材料。

实施案例5：

当金刚石粒度较小时，由于颗粒的比表面积大，金刚石表面的C原子具有较高的化学反应活性。烧结温度为1300~1500℃时，材料具有较强的TiC衍射峰，TiCx峰略弱，而添加粗粒度金刚石的材料中TiCx峰较强，TiC峰较弱，特别是在1300℃时观察不到TiC峰。随烧结温度升高，金刚石衍射峰逐渐变弱，金刚石表面出现过渡层，金刚石表面被严重侵蚀。随烧结温度升高，TiCx逐渐与金刚石反应。粒度细的金刚石具有较高的表面活性，能促进SiC形成。粒度较小的金刚石表面大量C原子参与反应，导致金刚石颗粒的体积减小，形成许多微小的孔隙。这些孔隙相互连接并贯通，成为Si原子扩散和逸出的通道。当温度低于Si的熔点时，Si的饱和蒸汽压较小，不易排出。当温度超过Si的熔点时，Si严重升华或挥发，借由金刚石体积缩小形成的孔道大量逸出。随烧结温度升高，Si的衍射峰逐渐增强，但当温度达到1600℃时，Si的衍射峰变得非常微弱。当金刚石粒度为较大时，其化学惰性比W20粒度金刚石强很多，金刚石表面参与反应的C原子非常少。钛硅碳与金刚石间的反应对产物物相组成的影响远不如金刚石粒度为W20时的影响大。当温度较低时，主要的反应是钛硅碳本身的分解反应，生成Si与非化学计量比的碳化钛。随温度升高，金刚石表面的反应活性相增加，非化学计量比的TiCx与金刚石表面的C逐渐反应形成TiC。1600℃高温下Ti3SiC2基本分解完成，Si逸出，产物主要为TiC与TiCx。当金刚石粒度较小时，在低于1600℃温度下烧结的复合材料的物相组成与添加较大粒度金刚石的材料较相近，主要的区别在于主相为TiCx，同时有较强的Ti5Si3Cx衍射峰。金刚石的粒度更大，金刚石表面参与反应的C原子更少，对整个反应体系的影响更微弱，过渡层的厚度仅约为2μm。

实施案例6：

Ti3SiC2与金刚石二元体系烧结，烧结体的物相组成与显微结构实际上是Ti3SiC2的分解产物与金刚石表面的C原子间复杂反应的结果。复合材料的显微结构也定其磨削性能。当添加细颗粒金刚石时，金刚石表面的C原子虽然参与反应，但形成的过渡层与基体结合尚好，其磨削性能虽然略低于其它2种复合材料，但差距并不显著。但当温度升高至1500℃后，金刚石被严重侵蚀，导致其磨削性能严重劣化，远不如添加较粗粒度金刚石的试样。而添加较大金刚石的材料性能最好，基体结合剂主要为TiC与Ti3SiC2，二者起到良好的协同增韧效果，同时也保证基体有适宜的硬度，另一方面是当金刚石粒度较粗时，金刚石较容易脱落。当添加相同质量的金刚石时，较粗金刚石的颗粒数比细粒度的金刚石要少得多，一旦脱落，对整个复合材料性能的影响都较大。因此选择适宜粒度的金刚石对于复合材料的磨削性能非常重要。

Claims (4)

1.一种放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料的制备原料包括：Ti3SiC2粉，金刚石颗粒。

2.根据权利要求1所述的放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料，其特征是放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入行星球磨机中进行湿磨，球磨介质为直径10mm的硬质合金球，球磨机转速为60r/min，球料比为8:1，球磨时间为24h，球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃，随后加入成形剂进行制粒，将制好的粉末加至单柱液压机中进行压制成形，压制压力为180MPa，将制好的压坯置于石墨舟皿上，放入放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结温度为1200℃，保温时间为90min。

3.根据权利要求1所述的放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料，其特征是放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料的检测步骤为：物相分析采用Riga转靶X射线衍射仪分析，断口形貌采用场发射扫描电镜观察，微区成分采用能谱仪分析，磨耗比采用DHM2型磨耗比测定仪测试。

4.根据权利要求1所述的放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料，其特征是所述的放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料，当金刚石粒度较细时，在1000℃烧结温度下，基体主相是TiCx，TiC和Ti3SiC2，随温度升高，TiCx逐渐转变成TiC，当温度升高至1200℃时，基体主相为TiC，含少量Ti3SiC2，用W20金刚石制备的复合材料存在许多气孔，Ti3SiC2的粒度也较小，所述的放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料，当金刚石粒度较粗时，烧结温度为1000℃，结合剂的主相为Ti3SiC2与TiCx，烧结温度为1200℃时，含30/40目金刚石的复合材料的结合剂主相为TiC和Ti5Si3，含少量Ti3SiC2，含120/140目金刚石的复合材料结合剂主相为TiC，含少量Ti3SiC2，含较粗金刚石的复合材料较致密，存在大量板条状Ti3SiC2晶粒以及少量颗粒状TiC，金刚石与Ti3SiC2晶粒间存在很薄的TiC过渡层，金刚石颗粒与基体结合良好，所述的放电等离子烧结制备的Ti3SiC2/金刚石复合材料，随烧结温度升高，材料的磨削性能提高，用粒度为120/140目的金刚石颗粒制备的Ti3SiC2结合剂/金刚石复合材料磨削性能最好，当烧结温度为1200℃时其磨耗比达到7000。