一种致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法
阅读说明：本技术 一种致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法 (Preparation method of densified titanium carbide composite ceramic ) 是由 茹红强 孙卫康 王春华 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法,所述复合陶瓷的原料中,TiC粉、添加剂、烧结助剂、钛源、C源的质量比为(30-80):(0-75):(0-30):(0-35):(0-25),在原料中,引入钛源、C源,通过原位反应,在碳化钛陶瓷基体中合成超细的碳化钛晶粒,提高了硼化锆的烧结活性,有利于致密化,相对密度95%以上；同时引入添加剂和烧结助剂,有利于形成液相,促进碳化钛颗粒之间重新排列,便于形成烧结颈,本发明制得的TiC复合陶瓷材料具有致密度高、高硬度、高韧性、低电阻率等性能,便于大规模自动化生产。(The invention provides a preparation method of densified titanium carbide composite ceramic, wherein the raw materials of the composite ceramic comprise TiC powder, additives, sintering aids, titanium sources and C sources in a mass ratio of (30-80): 0-75): 0-30): 0-35): 0-25, the titanium sources and the C sources are introduced into the raw materials, and superfine titanium carbide crystal grains are synthesized in a titanium carbide ceramic matrix through in-situ reaction, so that the sintering activity of zirconium boride is improved, the densification is facilitated, and the relative density is more than 95%; meanwhile, the additive and the sintering aid are introduced, so that the formation of a liquid phase is facilitated, the rearrangement of titanium carbide particles is promoted, and the formation of a sintering neck is facilitated.)
技术领域
本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法。
背景技术
碳化钛陶瓷具有强度高、导热良好、低电阻率、抗高温氧化、耐化学腐蚀等优良的特性，经常被用在切削刀具、耐磨部件、电接触部件、核聚变反应堆等领域。但是碳化钛属于超硬材料，难以烧结致密化。
目前，虽然使用热压、SPS、自蔓延等烧结方式可以获得致密化的碳化钛复合陶瓷；但是，采用热压烧结工艺，产品上下两面要承受很大的压力，产品的形状往往是板材或片材，形状简单不能复杂，所以形状受到限制；此外，由于产品受压的原因，每一批次烧结的产品数量也会受到限制。SPS和自蔓延烧结工艺，虽然对产品的形状没有要求，但是这两种烧结工艺限定了烧结炉内腔尺寸非常小，产量极其低下，目前只限于实验科研研究，也不适用于大批量工业化生产。
发明专利 CN102390999A公开一种液相烧结SiC-TiC复合陶瓷及其制备方法，由15～50wt%的碳化钛，40～80wt%的碳化硅，5～10wt%的助烧结剂Al2O3和Y2O3组成，经配料、制浆、成型、干燥、烧结而得到，SiC-TiC复合陶瓷的常温抗折强度提高到580Mpa，断裂韧性提高到7.8MPa·m1/2，但是，该方法制备的陶瓷致密度并不高。
发明专利 CN110330318A公开一种微纳复合陶瓷材料，以微米氧化铝为基体，以微米碳化钨和纳米碳化钛为第二相材料，以石墨烯为强韧化相，该种氧化铝-碳化钨-碳化钛-石墨烯微纳复合陶瓷材料，抗弯强度550.92±25.55MPa，硬度23.54±0.63GPa，断裂韧性8.76±0.51MPa·m 1/2，但是，其采用热压烧结工艺，样品虽然能获得较高的综合性能，但是样品的形状、尺寸和数量受到了极大的限制，不适用于规模化大批量生产。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，对现有工艺进行进一步优化，本发明提供一种致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法，以实现制备具有高致密度、形状可塑性强、便于大规模量产的碳化钛复合陶瓷的发明目的。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法，其特征在于，所述复合陶瓷的原料，包括TiC粉、添加剂、烧结助剂、钛源、C源，所述TiC粉、添加剂、烧结助剂、钛源、C源的质量比为(30-80):(0-75):(0-30):(0-35):(0-25)；
所述添加剂可以是碳化钨、碳化硅、碳化硼、氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮化铝中的一种或几种；
所述TiC粉平均粒度为0.4~5μm，纯度大于96%；
所述C源可以是酚醛树脂、石墨粉、炭黑、石墨烯中的一种或几种；
所述钛源可以是Ti粉、TiCl4、TiO2粉、钛酸丁酯中的一种或几种；
所述烧结助剂可以是氧化钙、氧化镁、氧化钇、氧化铈、氧化镧中的一种或几种；
所述制备方法，包括以下步骤：
（1）将原料、结合剂与液体介质一起混合成浆料，在球磨罐中球磨；
（2）将混合浆料进行喷雾造粒或在40~100℃干燥箱中烘干后手工过筛造粒；
（3）将造粒粉放入模具中，经过模压成型制成陶瓷生坯；
（4）将压制好的陶瓷生坯放入100~250℃干燥箱中干燥；
（5）将生坯放入高温烧结中，1800~2150℃下反应烧结获得致密化TiC复合陶瓷材料；
所述原料、结合剂和液体介质的质量比为100:(20-150):(120-180)；
所述结合剂可以是酚醛树脂、PVA或PVB；
所述液体介质可以是水、丙酮或乙醇；
所述烧结，烧结气氛可以是真空、氩气、氢气中的一种或两种；
所述过筛造粒，筛网规格为40~100目；
所述模压成型，压力为100~250MPa。
本专利采用无压烧结工艺，样品不用加压，则样品的形状、尺寸和数量不受限制；且在原料中引入钛源和碳源，Ti+C=TiC，TiO2+3C=TiC+2CO，不仅提高的碳化钛的烧结活性，促进致密化，而且超细的碳化钛颗粒对陶瓷基体和形成的液相均有弥散强化作用，从而提高综合性能，使无压烧结工艺得到的综合性能与热压烧结的相近，适用于规模化大批量生产。
采用上述技术方案，本发明的有益效果为：
1、采用本发明致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法，在原料中，引入钛源、C源，通过原位反应，在碳化钛陶瓷基体中合成超细的碳化钛晶粒，提高了硼化锆的烧结活性，有利于致密化，相对密度95-99%；
2、采用本发明致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法，在原料中，引入添加剂和烧结助剂，有利于形成液相，促进碳化钛颗粒之间重新排列，便于形成烧结颈，从而降低了烧结温度，烧结温度在1850-2150℃；
3、采用本发明致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法，提高了复合陶瓷的弯曲强度和断裂韧性，弯曲强度达到485-619MPa，断裂韧性达到4.73-8.12MPa·m1/2；
4、采用本发明致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法，降低了碳化钛复合陶瓷的气孔率，气孔率为0.31-0.82%；同时维氏硬度达到19.50-26.09GPa；
5、采用本发明致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法，碳化钛复合陶瓷材料的电阻率可达到4.07×10-6-6.44×10-5Ω·m；
6、本发明采用无压烧结工艺，可以制备出形状可塑的产品，工艺简单，对设备要求度低，便于大规模自动化生产，产品成本低且性能高，具有巨大的市场实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1中TiC-SiC复合陶瓷材料条状样品实物图。
图2为本发明实施例1中TiC-SiC复合陶瓷材料金相显微图。
图3为本发明实施例2中TiC-WC复合陶瓷材料条状样品实物图。
图4为本发明实施例2中TiC-WC复合陶瓷材料金相显微图。
图5为本发明实施例2中TiC-WC复合陶瓷材料SEM和EDS图。
图6为本发明实施例3中TiC-Al2O3复合陶瓷材料条状样品实物图。
图7为本发明实施例3中TiC-Al2O3复合陶瓷材料金相显微图。
具体实施方式
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下面结合具体的实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
一种致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法，步骤如下：
（1）将TiC粉、添加剂碳化硅和氧化铝、烧结助剂氧化钇、Ti粉、石墨烯按质量比50:65:4:10:3混合成混合粉料，将混合粉料、浓度为5%PVA溶液的结合剂、液体介质去离子水按质量比100:20:150一起混合成浆料，在球磨罐中球磨；
所述TiC粉，平均粒度为0.8μm，纯度99.9%；
所述碳化硅与氧化铝质量比为15:1；
（2）将混合浆料进行喷雾造粒；
（3）将造粒粉放入模具中，经压力机模压成型，压力150MPa，获得生坯；
（4）将压制好的陶瓷生坯放入150℃干燥箱中干燥排出体内水分；
（5）将生坯放入烧结中，在真空状态下，升温至1600℃保温30min，之后充氩气，达到烧结温度2150℃时，保温180min，获得TiC-SiC复合陶瓷材料；
本实施例制得的TiC-SiC复合陶瓷材料条状样品如图1所示，金相显微图如图2所示；经测试，该TiC-SiC复合陶瓷材料的相对密度为98.52%、气孔率为0.31%、弯曲强度为619MPa、断裂韧性为8.12MPa·m1/2、维氏硬度为26.09GPa、电阻率为6.44×10-5Ω·m。
实施例2
一种致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法，步骤如下：
（1）按质量比，将TiC粉、添加剂碳化钨、烧结助剂氧化铈、氧化钛粉、石墨粉=65:10:5:35:12混合成混合粉料，将混合粉料、浓度为5%酚醛树脂溶液的结合剂、液体介质乙醇=100:30:180一起混合成浆料，在球磨罐中球磨；
所述TiC粉，平均粒度为0.5μm，纯度98.5%；
（2）将球磨后的浆料在80℃干燥箱中烘干后，手工研磨破碎粉末，并过100目筛造粒；
（3）将造粒粉放入模具中，经压力机模压成型，压力200MPa，获得生坯；
（4）将压制好的陶瓷生坯放入200℃干燥箱中干燥排出体内水分；
（5）将生坯放入烧结中，在真空状态下，升温至1550℃保温60min，达到烧结温度2050℃时，保温120min，获得TiC-WC复合陶瓷材料；
本实施例制得的TiC-WC复合陶瓷材料条状样品如图3所示，金相显微图如图4所示，SEM与EDS如图5所示；经测试，该TiC-WC复合陶瓷材料的相对密度为95.73%、气孔率为0.82%、弯曲强度为525MPa、断裂韧性为7.17MPa·m1/2、维氏硬度为25.78GPa、电阻率为4.07×10-6Ω·m。
实施例3
一种致密化碳化钛复合陶瓷的制备方法，步骤如下：
（1）按质量比，将TiC粉、添加剂氧化铝、烧结助剂氧化镁、氧化钛粉、炭黑=55:35:5:18:9混合成混合粉料，将混合粉料、浓度为5%PVB的结合剂、液体介质丙酮=100:150:120一起混合成浆料，在球磨罐中球磨；
所述TiC粉，平均粒度为1.0μm，纯度99%；
（2）将球磨后的浆料在100℃干燥箱中烘干后，手工研磨破碎粉末，并过80目筛造粒；
（3）将造粒粉放入模具中，经压力机模压成型，压力250MPa，获得生坯；
（4）将压制好的陶瓷生坯放入250℃干燥箱中干燥排出体内水分；
（5）将生坯放入烧结中，在氩气状态下，升温至1300℃保温60min，达到烧结温度1850℃时，保温90min，获得TiC-Al2O3复合陶瓷材料；
本实施例制得的TiC-Al2O3复合陶瓷材料条状样品如图6所示，金相显微图如图7所示；经测试，该TiC-Al2O3复合陶瓷材料的相对密度为97.14%、气孔率为0.72%、弯曲强度为485MPa、断裂韧性为4.37MPa·m1/2、维氏硬度为19.50GPa、电阻率为7.62×10-6Ω·m。
以上所述，仅为本发明的实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
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