CN110256083A - 一种以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体及其制备方法 - Google Patents

一种以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种以TiH2为钛源制备Ti2AlN陶瓷粉体的方法，包括以下步骤：步骤一、将原料TiH2粉体和AlN粉体混合均匀，得到混合原料；步骤二、将步骤一中的混合原料装入耐热容器中，轻微振实；步骤三、将装入所述混合原料的耐热容器放入气氛保护管式炉中进行高温处理，高温处理结束后得到Ti2AlN疏松块体；步骤四、将Ti2AlN疏松块体打磨以除去表面杂质，然后经破碎后进行研磨处理，然后进行筛分处理，得到Ti2AlN陶瓷粉体。本发明采用TiH2粉、AlN粉体为反应原料制备的Ti2AlN陶瓷粉体，纯度达90wt％以上，原料成本低，合成温度低，粉碎容易，易于加工和掌控，便于推广和大规模生产。

Description

一种以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体及其制备方法
技术领域
本发明属于Ti2AlN陶瓷粉体技术领域，具体涉及一种以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体及其制备方法。
背景技术
在Ti-Al-N涂层体系中有一种非常重要的三元化合物Ti2AlN，属于Mn+1AXn(n＝1，2，3)相，兼具陶瓷和金属的优良性能。常温下，该材料具有较高的屈服强度、高熔点、高热稳定性、良好的抗氧化性能等，同时还具有较低的维氏显微硬度，较高的弹性模量和剪切模量，可进行机械加工等优点。Ti2AlN陶瓷的性能特点使得其应用领域很广泛，Ti2AlN陶瓷在近几年内成为研究热点；其作为高温结构材料可替代陶瓷材料，以及用来作为新型二维层状结构MXene的原料，这些应用方面逐渐受到关注。
常见的Ti2AlN陶瓷粉体的制备原料采用的是Ti粉或者TiN粉作为钛(Ti)元素的来源，原料成本高，所制备的粉体破碎困难；本发明提出以氢化钛(TiH2)作为钛元素的来源，制备Ti2AlN陶瓷粉体；选择TiH2粉体作为制备Ti2AlN陶瓷粉体的原料有很多优点，比如成本较低，TiH2在高温合成过程中会分解，逸出的氢气更容易获得结构疏松的粉体。
因此，这种利用成本较低的TiH2粉体为钛源制备高纯Ti2AlN陶瓷粉体的方法更加满足工厂大量生产的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以TiH2作为钛元素来源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，以便解决目前Ti2AlN陶瓷粉体材料制备方法上存在反应原料多，反应成本较高，破碎困难的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一、混料
将原料TiH2粉体和AlN粉体混合均匀，得到混合原料；
步骤二、成型
将步骤一中的所述混合原料装入耐热容器中，轻微振实直至表面无明显颗粒；
步骤三、高温合成
将装入所述混合原料的耐热容器放入气氛保护管式炉中进行高温处理，高温处理结束后得到Ti2AlN疏松块体；
步骤四、破碎磨粉处理
将所述Ti2AlN块体打磨以除去表面杂质，然后经破碎后进行研磨处理，得到微米级Ti2AlN粉体，将所述微米级Ti2AlN粉体进行筛分处理，得到Ti2AlN陶瓷粉体。
在如上所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，优选，所述TiH2粉体和所述AlN粉体的摩尔比为2:(0.8-1.2)。
在如上所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，优选，所述步骤三中高温处理的温度为1200-1600℃。
在如上所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，优选，所述步骤三中高温处理的时间为1-4h。
在如上所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，优选，所述TiH2粉体的纯度为99％；
优选地，所述TiH2粉体的粒径为38-74μm。
在如上所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，优选，所述AlN粉体的纯度为99.5％；
优选地，所述AlN粉体的粒径不大于2μm。
在如上所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，优选，在所述步骤四中进行研磨处理为球磨处理，球磨时间为1-6h。
在如上所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，优选，所述步骤三中对所述管式炉内先进行抽真空处理，然后通入流动氩气。
在如上所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，优选，在所述步骤一中将原料TiH2粉体和AlN粉体混合时添加有氧化铝陶瓷球。
一种以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法制备出的Ti2AlN陶瓷粉体。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
1、本发明直接采用TiH2粉、AlN粉体为反应原料制备的Ti2AlN陶瓷粉体，纯度达90wt％以上，可满足用于高温结构材料，抗腐蚀保护层以及替代可加工性陶瓷等。
2、本发明采用的工艺步骤使用的设备体系成熟，原料成本较低，高温合成难度较低，易于掌控，便于推广和大规模生产。
3、本发明采用TiH2粉体为反应原料，在高温处理过程中发生分解，其脱氢过程会使得产物Ti2AlN结构疏松，从而易于研磨和加工，制备效率大幅提高，同时制备的Ti2AlN陶瓷粉体具有较高的反应活性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明实施例1制备的Ti2AlN陶瓷粉体的XRD图；
图2为本发明实施例1制备的Ti2AlN陶瓷粉体的场发射扫描电镜图；
图3为本发明实施例2制备的Ti2AlN陶瓷粉体的XRD图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明实施例中提供的Ti2AlN陶瓷粉体采用TiH2粉和AlN粉体为原料，其中原料TiH2粉和AlN粉均为高纯粉体，TiH2粉纯度99％，AlN粉纯度99.5％，且TiH2粉体的粒径为38-74μm，即筛分尺寸为200-400目，AlN粉体的粒径不大于2μm。本发明的Ti2AlN陶瓷粉体制备步骤主要分为三大步骤：首先将TiH2粉和AlN粉体原料经混料机混合均匀，将混合均匀的粉体装入耐热容器中，轻微振实直至表面无明显颗粒，然后将装入混合原料的耐热容器放入管式炉中进行高温合成，最后将获得的Ti2AlN块体经磨砂纸打磨以除去表面杂质，再经破碎后进行研磨磨成微米级粉体，之后将研磨后的粉体进行筛分得到所需的Ti2AlN陶瓷粉体。
本发明采用高纯原料，制备的Ti2AlN陶瓷粉体，纯度达90wt％以上；此外，采用TiH2粉体为反应原料，在高温合成中发生分解，其脱氢过程会使得产物结构疏松，从而易于研磨和加工，得到的粉体具有较高的反应活性。
本发明提供的一种以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、混料
将原料TiH2粉体和AlN粉体混合均匀，得到混合原料；
在本发明的具体实施例中，TiH2粉体和AlN粉体的摩尔比为2:(0.8-1.2)(比如2:0.8、2:0.82、2:0.84、2:0.86、2:0.88、2:0.9、2:0.92、2:0.94、2:0.96、2:0.98、2:1、2:1.02、2:1.04、2:1.06、2:1.08、2:1.1、2:1.12、2:1.14、2:1.16、2:1.18)。
在本发明的具体实施例中，TiH2粉体的纯度为99％；优选地，TiH2粉体的粒径为38-74μm。在本发明的具体实施例中，AlN粉体的纯度为99.5％；优选地，AlN粉体的粒径不大于2μm。
在本发明的具体实施例中，在步骤一中将原料TiH2粉体和AlN粉体混合时添加有氧化铝陶瓷球；优选地，氧化铝陶瓷球的加入量满足球料比为1：(1-3)；再优选地，氧化铝陶瓷球的加入量满足球料比为1：(1.3-2.7)(比如1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9、1:2、1:2.1、1:2.2、1:2.3、1:2.4、1:2.5、1:2.6)；加入氧化铝陶瓷球后便于粗粒径的TiH2粉体和细粒径AlN粉体快速充分混合均匀。
步骤二、成型
将步骤一中的混合原料装入耐热容器中，轻微振实直至表面无明显颗粒；
步骤三、高温合成
将装入混合原料的耐热容器放入管式炉中进行高温处理，高温处理结束后得到Ti2AlN块体；
在本发明的具体实施例中，步骤三中高温处理的温度为1200-1600℃(比如1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃、1550℃、1580℃)。
在本发明的具体实施例中，步骤三中高温处理的时间为1-4h(比如1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h)。
在本发明的具体实施例中，在步骤三中对管式炉内通入气体之前进行抽真空处理；优选地，管式炉内的真空度为10-1Pa；再优选地，在管式炉内通入有流动氩气；再优选地，氩气流速为80-110ml/min(比如85ml/min、88ml/min、90ml/min、95ml/min、100ml/min、105ml/min、108ml/min)。
步骤四、破碎磨粉处理
将Ti2AlN块体打磨以除去表面杂质，然后经破碎后进行研磨处理，得到微米级Ti2AlN粉体，将微米级Ti2AlN粉体进行筛分处理，得到Ti2AlN陶瓷粉体。
在本发明的具体实施例中，在步骤四中进行研磨处理为球磨处理，球磨处理时间为1-6h(比如1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h)。
在本发明的具体实施例中，Ti2AlN陶瓷粉体的平均颗粒粒径小于28μm。
实施例1
本实施例提供的一种以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，包括以下步骤：
将原料TiH2粉体和AlN粉体混合均匀，按摩尔比n(TiH2):n(AlN)＝2:1配料，TiH2粉体质量为3.543g，AlN粉体质量为1.457g，原料共计5g，将原料TiH2粉体、AlN粉体与10粒氧化铝陶瓷球(球料质量比为1:2)在混料机中混合6h直至混合均匀。将混合均匀的原料取出，并倒入50*20*20mm刚玉坩埚中，轻微震荡直至表面无明显颗粒。
然后将刚玉坩埚放入管式炉中央，抽真空达到10-1Pa后，通入流动的氩气，氩气流速为80ml/min，开始进行高温处理，温度为1400℃，保温时间为2h，高温处理结束后得到Ti2AlN块体。
将得到的Ti2AlN块体用磨砂纸轻微打磨表面，以除去表面杂质，之后放入手动碎料机中进行破碎；然后将破碎后的材料倒入内径为120mm的玛瑙研钵中进行细磨，最后再经过500目的筛网进行筛分，通过Ti2AlN陶瓷粉体的XRD图分析，最终获得纯度＞97wt.％的Ti2AlN陶瓷粉体。Ti2AlN陶瓷粉体的平均颗粒粒径小于28μm。
如图1所示为本实施例中制得的Ti2AlN陶瓷粉体的XRD图，其物相组成主要是Ti2AlN，含有少量TiN，没有其他杂质生成。
如图2所示为本实施例中制得的Ti2AlN陶瓷粉体的场发射扫描电镜图，图中可知Ti2AlN结构呈明显的致密层状，颗粒发育较为完全。
实施例2
本实施例提供的一种以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，包括以下步骤：
将原料TiH2粉体和AlN粉体混合均匀，按摩尔比n(TiH2):n(AlN)＝2:1配料，TiH2粉体质量为10.630g，AlN粉体质量为4.370g，原料共计15g，将原料TiH2粉体、AlN粉体与20粒氧化铝陶瓷球(球料比为1:1.3)在混料机中混合12h直至混合均匀。将混合均匀的原料取出，并倒入50*20*20mm刚玉坩埚中，轻微震荡直至表面无明显颗粒。
然后将刚玉坩埚放入管式炉中央，抽真空达到10-1Pa后，通入流动的氩气，氩气流速为110ml/min，开始进行高温处理，温度为1400℃，保温时间为2h，高温处理结束后得到Ti2AlN块体。
将得到的Ti2AlN块体用磨砂纸轻微打磨表面，以除去表面杂质，之后放入手动碎料机中进行破碎；然后将破碎后的材料倒入球磨机内进行细磨，球磨4h，最后再经过500目的筛网进行筛分，最终获得纯度＞97wt％的Ti2AlN陶瓷粉体。Ti2AlN陶瓷粉体的平均颗粒粒径小于28μm。如图3所示为本实施例中制得的Ti2AlN陶瓷粉体的XRD图，其物相组成主要是Ti2AlN，含有少量TiN，没有其他杂质生成。
实施例3
本实施例中将管式炉中高温处理温度更改为1200℃，保温时间为4h，其他方法步骤与实施例1相同，在此不再赘述。
本实施例中制备的Ti2AlN陶瓷粉体经过XRD检测和纯度测试后，物相组成与实施例1相比没有变化，主要是Ti2AlN，含有少量TiN；本实施例中Ti2AlN陶瓷粉体的纯度为90～95wt％。
实施例4
本实施例中将管式炉中高温处理温度更改为1600℃，保温时间为1h，其他方法步骤与实施例2相同，在此不再赘述。
本实施例中制备的Ti2AlN陶瓷粉体经过XRD检测和纯度测试后，物相组成与实施例2相比没有变化，主要是Ti2AlN，含有少量TiN以及Al2O3；本实施例中Ti2AlN陶瓷粉体的纯度为90～95wt％。
实施例5
本实施例中与实施例2的区别在于，原料TiH2粉体和AlN粉体按摩尔比n(TiH2):n(AlN)＝2:0.8配料，TiH2粉体质量为10.629g，AlN粉体质量为3.495g，原料共计14.124g，将原料与球料比为1:1.3的氧化铝陶瓷球在混料机中混合；球磨处理时球磨时间为3h，其他方法步骤与实施例2相同，在此不再赘述。
本实施例中制备的Ti2AlN陶瓷粉体经过XRD检测和纯度测试后，物相组成与实施例2相比没有变化，主要是Ti2AlN，含有少量TiN；本实施例中Ti2AlN陶瓷粉体的纯度＞95wt％。
实施例6
本实施例中与实施例2的区别在于，原料TiH2粉体和AlN粉体按摩尔比n(TiH2):n(AlN)＝2:1.2配料，TiH2粉体质量为10.629g，AlN粉体质量为5.244g，原料共计15.873g，将原料与球料比为2.7:1的氧化铝陶瓷球在混料机中混合；球磨处理时球磨时间为5h，其他方法步骤与实施例2相同，在此不再赘述。
本实施例中制备的Ti2AlN陶瓷粉体经过XRD检测和纯度测试后，物相组成与实施例2相比没有变化，主要是Ti2AlN，含有少量TiN和少量未反应的AlN；本实施例中Ti2AlN陶瓷粉体的纯度为90～95wt％。
对照例1
本对照例中与实施例2的区别在于，将管式炉中高温处理时的保温温度更改为1000℃，保温时间为4h，其他方法步骤与实施例1相同，在此不再赘述。
本对照例中制备的Ti2AlN陶瓷粉体经过XRD检测和纯度测试后，物相组成与实施例2相比保温温度较低，含有大量未反应的AlN，以及少量Ti3Al合金；本实施例中Ti2AlN陶瓷粉体的纯度为＜85wt％。
对照例2
本对照例中与实施例2的区别在于，原料TiH2粉体和AlN粉体按摩尔比n(TiH2):n(AlN)＝2:1.5配料，TiH2粉体质量为10.629g，AlN粉体质量为6.555g，原料共计17.184g，将原料与球磨比为2.7:1的氧化铝陶瓷球在混料机中混合，其他方法步骤与实施例2相同，在此不再赘述。
本对照例中制备的Ti2AlN陶瓷粉体经过XRD检测和纯度测试后，物相组成与实施例2相比含有大量未反应的AlN，以及少量TiN；本实施例中Ti2AlN陶瓷粉体的纯度为＜90wt％。
对照例3
本对照例中与实施例2的区别在于，原料TiH2粉体和AlN粉体按摩尔比n(TiH2):n(AlN)＝2:0.5配料，TiH2粉体质量为10.629g，AlN粉体质量为2.184g，原料共计12.813g，将原料与球磨比为1.3:1的氧化铝陶瓷球在混料机中混合，其他方法步骤与实施例2相同，在此不再赘述。
本对照例中制备的Ti2AlN陶瓷粉体经过XRD检测和纯度测试后，物相组成与实施例2相比含有少量TiN，以及大量未反应的Ti，TiH2在高温分解形成的大量Ti未参与合成反应；本实施例中Ti2AlN陶瓷粉体的纯度为＜80wt％。
综上所述：本发明采用高纯原料TiH2粉体和AlN粉体，制备的Ti2AlN陶瓷粉体，纯度达90wt％以上，Ti2AlN陶瓷粉体的平均颗粒粒径小于28μm，可满足用于高温结构材料，抗腐蚀保护层以及替代可加工性陶瓷等；此外，采用TiH2粉体为反应原料，在高温处理过程中发生分解，其脱氢过程会使得产物结构疏松，从而易于研磨和加工，制备效率大幅提高，同时得到的粉体具有较高的反应活性；本发明中的工艺步骤简单，使用的都是成熟设备体系，原料成本较低，高温合成难度较低，易于掌握，便于推广和大规模生产。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一、混料
将原料TiH2粉体和AlN粉体混合均匀，得到混合原料；
步骤二、成型
将步骤一中的所述混合原料装入耐热容器中，轻微振实直至表面无明显颗粒；
步骤三、高温合成
将装入所述混合原料的耐热容器放入气氛保护管式炉中进行高温处理，高温处理结束后得到Ti2AlN疏松块体；
步骤四、破碎磨粉处理
将所述Ti2AlN块体打磨以除去表面杂质，然后经破碎后进行研磨处理，得到微米级Ti2AlN粉体，将所述微米级Ti2AlN粉体进行筛分处理，得到Ti2AlN陶瓷粉体。
2.如权利要求1所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，所述TiH2粉体和所述AlN粉体的摩尔比为2:(0.8-1.2)。
3.如权利要求1所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤三中高温处理的温度为1200-1600℃。
4.如权利要求1-3任一项所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤三中高温处理的时间为1-4h。
5.如权利要求1所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，所述TiH2粉体的纯度为99％；
优选地，所述TiH2粉体的粒径为38-74μm。
6.如权利要求1所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，所述AlN粉体的纯度为99.5％；
优选地，所述AlN粉体的粒径不大于2μm。
7.如权利要求1所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，在所述步骤四中进行研磨处理为球磨处理，球磨时间为1-6h。
8.如权利要求1所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤三中对所述管式炉内先进行抽真空处理，然后通入流动氩气。
9.如权利要求1所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，在所述步骤一中将原料TiH2粉体和AlN粉体混合时添加有氧化铝陶瓷球。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的以TiH2为钛源的Ti2AlN陶瓷粉体的制备方法制备出的Ti2AlN陶瓷粉体。
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