本發(fā)明屬于碳化物摻加陶瓷基金屬?gòu)?fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

近些年，金屬陶瓷復(fù)合材料的研究備受關(guān)注，其中Al₂O₃陶瓷是應(yīng)用最廣泛的陶瓷材料之一。氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、高硬度等特點(diǎn)，且具備優(yōu)越的抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性，價(jià)格低廉，資源豐富。目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、電子元件、機(jī)械材料等領(lǐng)域。但氧化鋁陶瓷的韌性較低，限制了其生產(chǎn)應(yīng)用。

目前，三元的碳化物以及氮化物陶瓷因其本身特殊的層狀結(jié)構(gòu)而含有優(yōu)異的性能，不僅有陶瓷特性，同時(shí)還包含金屬特性，改善了陶瓷的脆性，提高了韌性，而Ti₃SiC₂是三元碳化物中的最受矚目的陶瓷材料之一，三元Ti₃SiC₂材料的機(jī)械性能優(yōu)越，在高溫下有著良好的抗氧化性。但Ti₃SiC₂增強(qiáng)氧化鋁的多相復(fù)合材料存在硬度、相對(duì)密度較低的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種鈦-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料，具有相對(duì)密度高，硬度、韌性、強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)，本發(fā)明還提供了上述鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

1）混合粉料的制備：將按體積比40：40～50：10～20量取鈦粉、氧化鋁粉和碳化硅粉，以酒精為分散介質(zhì)，粉料與酒精體積比為1：6，氧化鋁球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球磨4h，球磨后的料漿置于70℃干燥24h，充分干燥為粉料后，過50目篩，得到混合粉料；

2）真空熱壓燒結(jié)：將混合粉料置于真空熱壓爐中，在20～60MPa壓力下，1400～1800℃熱壓燒結(jié)1～5h，得鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料。

步驟1）中，所述的碳化硅粉占所用粉料總體積比為10~20%；

步驟1）中，所述的鈦粉、氧化鋁粉和碳化硅粉體積比優(yōu)選40:40:20；

步驟1）中，所述的鈦粉的粒徑為0.5～2μm，氧化鋁粉的粒徑為0.5～3μm，碳化硅粉的粒徑為0.5～2μm。

步驟2）中，所述的燒結(jié)，升溫速率為5～20℃/min。

步驟2）中，真空熱壓爐中，優(yōu)選30MPa壓力下，1600℃熱壓燒結(jié)2h。

一種上述方法制備的鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料。

所述的鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料，由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：鈦45～47%，硅5～12%，碳3～5%，氧17～36 %，余量為鋁；

所述的鈦、碳和部分硅元素以TiC、Ti₅Si₃、Ti₃SiC₂化合物粒子的形式鑲嵌于氧化鋁基體中，剩余硅元素以原子形式固溶于復(fù)合材料的孔隙中，兩部分硅元素的比例為70～75：25～30。

所述的鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料為板狀或柱狀，并有層狀結(jié)構(gòu)，尺寸為3～5μm。

所述的鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料相對(duì)密度為90～99%；顯微硬度為10～25GPa，彎曲強(qiáng)度為200～600MPa，斷裂韌性為3～15 MPa ·m^1/2。

本發(fā)明多相復(fù)合材料，通過摻加的碳化硅粉與鈦生成了新的化合物，其中TiC、Ti₃SiC₂起增強(qiáng)增韌效果，半熔融的Si填充于材料的部分孔隙中，從而在熱壓條件下獲得相對(duì)密度高，硬度、韌性、強(qiáng)度大的氧化鋁基多相復(fù)合材料。SiC作為僅次于金剛石和B₄C的第三硬度材料，具有優(yōu)良的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，SiC顆粒加入氧化鋁基多相復(fù)合材料中，有利于減少金屬化合物TiAl、Ti₃Al的生成。本發(fā)明未加碳化硅之前材料為片狀顆粒，存在一定量的氣孔，隨著碳化硅的加入，材料的晶粒逐漸增大，氣孔逐漸縮小，并伴隨部分氣孔消失。最重要的是SiC與Ti反應(yīng)，形成了TiC、Ti₅Si_3、Ti₃SiC₂等新的化合物，其中TiC、Ti₃SiC₂起增強(qiáng)增韌效果，同時(shí)TiC的生成大大提高了材料的強(qiáng)度，半熔融相的Si填充于部分孔隙中，促進(jìn)材料的致密化，從而在熱壓條件下得到綜合性能優(yōu)越的氧化鋁基多相復(fù)合材料。

本發(fā)明制備方法相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)越性在于：

（1）本發(fā)明制備的陶瓷基復(fù)合材料相較于無摻雜鈦/氧化鋁復(fù)合材料，半熔融相的Si填充于孔隙中，相對(duì)密度得到了進(jìn)一步的提升，給熱壓燒結(jié)氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料提供了一種較為優(yōu)良的燒結(jié)助劑；

（2）本發(fā)明摻加的碳化硅，能使鈦與碳化硅反應(yīng)產(chǎn)生新的物質(zhì)，抑制了鈦鋁金屬間化合物的生成，形成了新的化合物，其中新相TiC、Ti₃SiC₂起增強(qiáng)增韌效果，使其強(qiáng)度、斷裂韌性得到了很大的提高；

（3）本發(fā)明操作流程比較簡(jiǎn)單，且原料成本相對(duì)較低，產(chǎn)品性能優(yōu)越，對(duì)實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)有著重要意義。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中摻加碳化硅的氧化鋁基多相復(fù)合材料的XRD圖譜；

圖2為實(shí)施例1中摻加碳化硅的氧化鋁基多相復(fù)合材料的的斷面SEM圖；

圖3為對(duì)比例1中氧化鋁基多相復(fù)合材料的XRD圖譜；

圖4為對(duì)比例1中氧化鋁基多相復(fù)合材料的的斷面SEM圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合具體實(shí)施例描述本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段做出的各種替換或變更，均包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

實(shí)施例1

一種鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料的制備方法，步驟為：

1）將鈦粉、氧化鋁粉、碳化硅粉按體積比40：40：20混合，以酒精為分散介質(zhì)，粉料與酒精分散體積比為1:6，氧化鋁球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，于聚四氟乙烯罐中球磨4h；球磨后的料漿置于干燥箱中，在70℃條件下干燥24h；充分干燥為粉料后，過50目篩得到混合粉料；

2）取30g混合粉料于真空熱壓爐中，置于直徑45mm的石墨模具中1500℃、30MPa條件下燒結(jié)2h，升溫速率10℃/min，得鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料。

經(jīng)測(cè)定，實(shí)施例1鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料為3～5μm的長(zhǎng)柱狀或板狀，并有層狀結(jié)構(gòu)，由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：鈦46.1 %，硅11.4 %，碳 4.9%，氧 17.7 %，余量為鋁；所述的鈦、碳和部分硅元素以TiC、Ti₅Si₃、Ti₃SiC₂化合物粒子的形式鑲嵌于氧化鋁基體中，剩余硅元素以原子形式固溶于復(fù)合材料的孔隙中，兩部分硅的比例為3:1。相對(duì)密度為97.76%，彎曲強(qiáng)度437.26MPa，顯微硬度為19.61 GPa，斷裂韌性為9.95MPa ·m^1/2。X射線衍射分析顯示（圖像如圖1所示），添加碳化硅后，Ti與SiC之間形成了新的化合物，產(chǎn)物包括TiC、Ti₅Si_3、Ti₃SiC₂，此時(shí)的產(chǎn)物Ti₃SiC₂含量增加，材料的性能得到進(jìn)一步提高。同時(shí)，通過掃描電鏡分析（圖像如圖2所示），可見其接觸層的結(jié)合更為緊密，進(jìn)一步提升了復(fù)合材料的強(qiáng)度。

實(shí)施例2

一種鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料的制備方法，步驟為：

1）將鈦粉（1μm）、氧化鋁粉（1μm）、碳化硅粉（800nm）按體積比40：45：15混合，以酒精為分散介質(zhì)，分散體積比為1:6，氧化鋁球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，于聚四氟乙烯罐中球磨4h；球磨后的料漿置于干燥箱中，在70℃條件下干燥24h；充分干燥為粉料后，過50目篩得到混合粉料；

2）取30g混合粉料于真空熱壓爐中，置于直徑45mm的石墨模具中1500℃、30MPa條件下燒結(jié)2h，升溫速率10℃/min，得鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料。

經(jīng)測(cè)定，實(shí)施例2鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料為3～5μm的長(zhǎng)柱狀或板狀，并有層狀結(jié)構(gòu)，由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：鈦 45.8 %，硅8.5%，碳3.6 %，氧19.8 %，余量為鋁；所述的鈦、碳和部分硅元素以TiC、Ti₅Si₃、Ti₃SiC₂化合物粒子的形式鑲嵌于氧化鋁基體中，剩余硅元素以原子形式固溶于復(fù)合材料的孔隙中，兩部分硅的比例為37:14。相對(duì)密度為98.47％，彎曲強(qiáng)度431.23MPa，顯微硬度為19.52GPa，斷裂韌性為7.83MPa ·m^1/2，材料的性能得到了顯著地提高。X射線衍射分析顯示，添加碳化硅后，Ti與SiC形成了新的化合物，Ti被消耗，產(chǎn)物包括TiC、Ti₅Si_3、Ti₃SiC₂，其中TiC、Ti₃SiC₂起增強(qiáng)增韌作用，提高材料的強(qiáng)度和韌性，其中半熔融的Si填充于部分孔隙中，這對(duì)提高材料的密度有著重要的意義，通過掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，接觸層的結(jié)合較為緊密，復(fù)合材料的強(qiáng)度得到進(jìn)一步提升。

實(shí)施例3

一種鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料的制備方法，步驟為：

1）將鈦粉（1μm）、氧化鋁粉（1μm）、碳化硅粉（800nm）按體積比40：50：10混合，以酒精為分散介質(zhì)，分散體積比為1:6，氧化鋁球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，于聚四氟乙烯罐中球磨4h；球磨后的料漿置于干燥箱中，在70℃條件下干燥24h；充分干燥為粉料后，過50目篩得到混合粉料；

2）取30g混合粉料于真空熱壓爐中，置于直徑45mm的石墨模具中1500℃、30MPa條件下燒結(jié)2h，升溫速率10℃/min，得鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料。

經(jīng)測(cè)定，實(shí)施例2鈦-硅-碳增強(qiáng)型氧化鋁基多相復(fù)合材料為3～5μm的長(zhǎng)柱狀或板狀，并有層狀結(jié)構(gòu)，由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：鈦 45.6 %，硅 5.6 %，碳2.4 %，氧21.8 %，余量為鋁；所述的鈦、碳和部分硅元素以TiC、Ti₅Si₃、Ti₃SiC₂化合物粒子的形式鑲嵌于氧化鋁基體中，剩余硅元素以原子形式固溶于復(fù)合材料的孔隙中，兩部分硅的比例為7:3。相對(duì)密度為96.48％，彎曲強(qiáng)度392.39MPa，顯微硬度為17.61GPa，斷裂韌性為6.87MPa ·m^1/2，材料的性能得到了顯著地提高。X射線衍射分析顯示，添加碳化硅后，Ti與SiC形成了新的化合物，Ti被消耗，產(chǎn)物包括TiC、Ti₅Si_3、Ti₃SiC₂，其中TiC、Ti₃SiC₂起增強(qiáng)增韌作用，提高材料的強(qiáng)度和韌性，其中半熔融的Si填充于部分孔隙中，這對(duì)提高材料的密度有著重要的意義，通過掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，接觸層的結(jié)合更為緊密，可以提升復(fù)合材料的強(qiáng)度。

對(duì)比例1

將鈦粉（1μm）、氧化鋁粉（1μm）按40：60的體積比進(jìn)行配制，以酒精為分散介質(zhì)，分散體積比為1:6，氧化鋁球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，在聚四氟乙烯罐中球磨4h；球磨后的料漿置于干燥箱中在70℃條件下干燥24h；將干燥后的粉料過50目篩得到混合粉料；取30g混合粉料置于直徑45mm的石墨模具中1500℃、30MPa條件下燒結(jié)2h，升溫速率10℃/分鐘；制得樣品。

經(jīng)測(cè)定，樣品的相對(duì)密度為94.52％，彎曲強(qiáng)度為324.46MPa，顯微硬度為15.48GPa，斷裂韌性為4.63MPa ·m^1/2。X射線衍射分析表明（圖像如圖3所示），樣品中有大量的TiAl和Ti₃Al金屬間化合物的生成，這些物質(zhì)具有較強(qiáng)的室溫脆性，會(huì)大大降低復(fù)合材料整體的強(qiáng)度和韌性。同時(shí)，通過掃描電鏡分析我們發(fā)現(xiàn)鈦與鋁的晶界比較明顯（圖像如圖4所示），兩者之間結(jié)合力較弱。