本發(fā)明涉及陶瓷復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種tib2-tic陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

在金屬的切削過程中，提高切削速率可極大地提高加工效率，高速切削加工已成為機械制造業(yè)的重要發(fā)展方向。在高切削速度和斷續(xù)切削條件下，刀具對高溫和氧化的耐受能力不足，限制了切削速率的進一步提高?，F(xiàn)有用于刀具材料的tic基和ti(c,n)基金屬陶瓷通常通過添加wc、nbc、mo2c、tac等第二類碳化物改善潤濕性，其斷裂韌性有所提高，中國專利cn101500963a報道了一種(ti,w)c-wc-ni金屬陶瓷，其斷裂韌性為12.2mpa·m^1/2，但是由于金屬粘接相的存在，其硬度較低，僅為14.3gpa。而且金屬粘接相會降低其熱穩(wěn)定性和紅硬性。

在非氧化物復(fù)合材料的傳統(tǒng)制備工藝中，都是先分別通過硼熱反應(yīng)和碳熱反應(yīng)單獨制備tib2和tic粉末，然后通過機械混合的方式將兩者混合后燒結(jié)。單獨的硼熱還原和碳熱還原所需溫度高，時間長，能耗大。例如中國專利cn105533a報道了在1400～1700℃下，以活性炭、五硼酸銨以及tio2還原制備tib2的方法，產(chǎn)品粒度10μm左右，較為粗大，并且合成溫度高，周期長。以傳統(tǒng)的碳熱還原制備tic，需以碳和tio2為原料，在碳管爐中以2200℃以上的高溫進行碳化。而且在后續(xù)的混合過程中，存在tib2和tic粉末均勻性欠佳，最終影響復(fù)合材料性能欠佳的情況。

鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時間的研究和實踐終于獲得了本發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明采用的技術(shù)方案在于，提供一種tib2-tic陶瓷復(fù)合材料制備方法，其特征在于，按以下步驟進行：

第一步，將tio2粉為66.6％～68.1％，b4c粉為14％～16.5％，c粉為17％～17.9％按質(zhì)量百分比混合；

第二步，將所述混合粉進行研磨，得到研磨后粉體；

第三步，將所述研磨后粉體裝入坩堝中，進行還原處理，得到tib2-tic復(fù)合粉體；

第四步，將所述復(fù)合粉體進行燒結(jié)，得到燒結(jié)體；

第五步，將所述燒結(jié)體脫模，得到一種tib2-tic復(fù)合材料。

較佳的，所述研磨機為行星式球磨機，介質(zhì)為碳化鎢的球磨罐和直徑為5mm的研磨球。

較佳的，所述還原處理是在真空碳管爐中進行碳熱\硼熱處理，溫度1100～1300℃，保溫時間1～2h，真空度<10pa。

較佳的，所述真空碳管爐保溫結(jié)束后，直接將爐溫升至1300～2000℃進行燒結(jié)，燒結(jié)保溫時間為30～120min，真空度<10pa。

較佳的，用熱壓燒結(jié)、無壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)替代所述真空碳管爐直接燒結(jié)。

較佳的，所述燒結(jié)為熱壓燒結(jié)，其燒結(jié)溫度為1600～2000℃，用單向/雙向加壓的方式加壓，施加的壓力為10～50mpa，燒結(jié)保溫時間為30～120min，真空度<10pa。

較佳的，所述燒結(jié)為無壓燒結(jié)，經(jīng)過50～200mpa冷等靜壓成型后，進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1600～2000℃，燒結(jié)保溫時間為30～120min，真空度<10pa。

較佳的，所述燒結(jié)為熱等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1300～1700℃，施加的壓力為50～200mpa，燒結(jié)保溫時間為30～120min，真空度<10pa。

與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明的有益效果在于：1，合成溫度低，能耗小，粉體成分可控性好，粉體粒度小，其平均粒徑不大于500nm，相比單獨制備后再次機械混合，tib2和tic兩相分布均勻，雜質(zhì)少，并且工序得到極大簡化。2，采用該復(fù)合粉體燒結(jié)出的tib2-tic復(fù)合材料，致密度高，tib2和tic兩相分布均勻，結(jié)構(gòu)緊湊，晶粒尺寸細(xì)小。3，觀察復(fù)合材料的微觀組織，tib2和tic晶粒發(fā)育完全，tic晶粒則均為等軸狀，tib2晶粒呈現(xiàn)明顯的長棒狀特征，長徑比約為(4～6):1，位錯密度適中，有利于韌性的提高。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明各實施例中的技術(shù)方案,下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。

圖1是本發(fā)明的tib2-tic復(fù)合粉體的rd圖譜；

圖2是本發(fā)明的tib2-tic復(fù)合材料的拋光表面掃描電鏡照片；

圖3是本發(fā)明的tib2-tic復(fù)合材料裂紋擴展路徑的掃描照片；

圖4是本發(fā)明的tib2-tic復(fù)合材料相態(tài)圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點作更詳細(xì)的說明。

實施例1

預(yù)先設(shè)定tib2-tic復(fù)合粉體中tic所占的質(zhì)量百分比為36.4％。將tio2粉，b4c粉，c粉混合，其中tio2粉純度為99％，平均粒徑20μm，b4c粉純度為99％，平均粒徑20μm，c粉為無定型碳，純度為99％；各原料組分質(zhì)量百分比(wt.％)如表1所示：

表1

將混合粉體放入行星式球磨機，利用碳化鎢球磨罐和直徑為5mm研磨球進行球磨。將球磨后粉體裝入石墨坩堝中，在真空碳管爐中進行碳熱\硼熱還原處理，溫度為1100℃，保溫1h，得到tib2-tic復(fù)合粉體，其中tic所占的質(zhì)量百分比為36.4％。將制備的復(fù)合粉體取出，在真空熱壓燒結(jié)爐中以1800℃熱壓燒結(jié)，真空度<10pa，單向加壓10mpa，保溫時間30min，將燒結(jié)體脫模后，得到tib2-tic復(fù)合材料。

復(fù)合材料的致密度為95.7％，室溫下的三點彎曲強度為510～515mpa，彈性模量為520～530mpa，維氏硬度為18.0～18.7gpa，斷裂韌性為9.1～9.5mpa·m^1/2。

實施例2

預(yù)先設(shè)定tib2-tic復(fù)合粉體中tic所占的質(zhì)量百分比為36.4％。按照表1所示質(zhì)量百分比，將tio2粉，b4c粉，c粉混合，其中tio2粉純度為99％，平均粒徑20μm，b4c粉純度為99％，平均粒徑20μm，c粉為無定型碳，純度為99％。

將混合粉體放入行星式球磨機，利用碳化鎢球磨罐和直徑為5mm研磨球進行球磨。將球磨后粉體裝入石墨坩堝中，在真空碳管爐中進行碳熱\硼熱還原處理，溫度為1100℃，保溫1h，得到tib2-tic復(fù)合粉體，其中tic所占的質(zhì)量百分比為36.4％。將制備的復(fù)合粉體取出，在真空熱壓燒結(jié)爐中以2000℃熱壓燒結(jié)，真空度<10pa，單向加壓50mpa，保溫時間60min，將燒結(jié)體脫模后，得到tib2-tic復(fù)合材料。

復(fù)合材料的致密度為98.3％，室溫下的三點彎曲強度為569～573mpa，彈性模量為536～544mpa，維氏硬度為19.0～19.5gpa，斷裂韌性為9.6～10.1mpa·m^1/2。

實施例3

預(yù)先設(shè)定tib2-tic復(fù)合粉體中tic所占的質(zhì)量百分比為40.0％。將tio2粉，b4c粉，c粉混合，其中tio2粉純度為99％，平均粒徑20μm，b4c粉純度為99％，平均粒徑20μm，c粉為無定型碳，純度為99％；各原料組分質(zhì)量百分比(wt.％)如表2所示：

表2

將混合粉體放入行星式球磨機，利用碳化鎢球磨罐和直徑為5mm研磨球進行球磨。將球磨后粉體裝入石墨坩堝中，在真空碳管爐中進行碳熱\硼熱還原處理，溫度為1200℃，保溫1h，得到tib2-tic復(fù)合粉體，其中tic所占的質(zhì)量百分比為40.0％。將制備的復(fù)合粉體取出，在真空熱壓燒結(jié)爐中以2000℃熱壓燒結(jié)，真空度<10pa，單向加壓50mpa，保溫時間60min，將燒結(jié)體脫模后，得到tib2-tic復(fù)合材料。

復(fù)合材料的致密度為99.3％，室溫下的三點彎曲強度為583～589mpa，彈性模量為550～557mpa，維氏硬度為19.6～21.1gpa，斷裂韌性為9.8～10.2mpa·m^1/2。

實施例4

預(yù)先設(shè)定tib2-tic復(fù)合粉體中tic所占的質(zhì)量百分比為40.0％。按照表2所示質(zhì)量百分比，將tio2粉，b4c粉，c粉混合，其中tio2粉純度為99％，平均粒徑20μm，b4c粉純度為99％，平均粒徑20μm，c粉為無定型碳，純度為99％。

將混合粉體放入行星式球磨機，利用碳化鎢球磨罐和直徑為5mm研磨球進行球磨。將球磨后粉體裝入石墨坩堝中，在真空碳管爐中進行碳熱\硼熱還原處理，溫度為1300℃，保溫1h，得到tib2-tic復(fù)合粉體，其中tic所占的質(zhì)量百分比為40.0％。將制備的復(fù)合粉體取出，以150mpa冷等靜壓后，在真空熱壓燒結(jié)爐中以1800℃無壓燒結(jié)，真空度<10pa，保溫時間60min，得到tib2-tic復(fù)合材料。

復(fù)合材料的致密度為97.3％，室溫下的三點彎曲強度為555～572mpa，彈性模量為530～542mpa，維氏硬度為18.6～19.6gpa，斷裂韌性為9.3～9.8mpa·m^1/2。

實施例5

預(yù)先設(shè)定tib2-tic復(fù)合粉體中tic所占的質(zhì)量百分比為40.0％。按照表2所示質(zhì)量百分比，將tio2粉，b4c粉，c粉混合，其中tio2粉純度為99％，平均粒徑20μm，b4c粉純度為99％，平均粒徑20μm，c粉為無定型碳，純度為99％。

將混合粉體放入行星式球磨機，利用碳化鎢球磨罐和直徑為5mm研磨球進行球磨。將球磨后粉體裝入石墨坩堝中，在真空碳管爐中進行碳熱\硼熱還原處理，溫度為1300℃，保溫1h，得到tib2-tic復(fù)合粉體，其中tic所占的質(zhì)量百分比為40.0％。將制備的復(fù)合粉體取出，在熱等靜壓燒結(jié)爐中以1600℃燒結(jié)，壓力150mpa，真空度<10pa，保溫時間30min，得到tib2-tic復(fù)合材料。

復(fù)合材料的致密度為99.6％，室溫下的三點彎曲強度為572～580mpa，彈性模量為541～551mpa，維氏硬度為19.5～20.2gpa，斷裂韌性為10.1～10.8mpa·m^1/2。

實施例6

預(yù)先設(shè)定tib2-tic復(fù)合粉體中tic所占的質(zhì)量百分比為40.0％。按照表2所示質(zhì)量百分比，將tio2粉，b4c粉，c粉混合，其中tio2粉純度為99％，平均粒徑20μm，b4c粉純度為99％，平均粒徑20μm，c粉為無定型碳，純度為99％。

將混合粉體放入行星式球磨機，利用碳化鎢球磨罐和直徑為5mm研磨球進行球磨。將球磨后粉體裝入石墨坩堝中，在真空碳管爐中進行碳熱\硼熱還原處理，溫度為1300℃，保溫1h，得到tib2-tic復(fù)合粉體，其中tic所占的質(zhì)量百分比為40.0％。將制備的復(fù)合粉體取出，在真空熱壓燒結(jié)爐中以2000℃熱壓燒結(jié)，真空度<10pa，單向加壓50mpa，保溫時間60min，將燒結(jié)體脫模后，得到tib2-tic復(fù)合材料。

復(fù)合材料的致密度為99.8％，室溫下的三點彎曲強度為589～598mpa，彈性模量為558～577mpa，維氏硬度為20.1～21.2gpa，斷裂韌性為10.8～11.6mpa·m^1/2。

實施例7

預(yù)先設(shè)定tib2-tic復(fù)合粉體中tic所占的質(zhì)量百分比為40.0％。按照表2所示質(zhì)量百分比，將tio2粉，b4c粉，c粉混合，其中tio2粉純度為99％，平均粒徑20μm，b4c粉純度為99％，平均粒徑20μm，c粉為無定型碳，純度為99％。

將混合粉體放入行星式球磨機，利用碳化鎢球磨罐和直徑為5mm研磨球進行球磨。將球磨后粉體裝入石墨坩堝中，在真空碳管爐中進行碳熱\硼熱還原處理，溫度為1300℃，保溫1h，得到tib2-tic復(fù)合粉體，其中tic所占的質(zhì)量百分比為40.0％。將制備的復(fù)合粉體取出，在熱等靜壓燒結(jié)爐中以1300℃燒結(jié)，壓力200mpa，真空度<10pa，保溫時間60min，得到tib2-tic復(fù)合材料。

復(fù)合材料的致密度為97.8％，室溫下的三點彎曲強度為546～565mpa，彈性模量為511～522mpa，維氏硬度為16.8～17.7gpa，斷裂韌性為9.1～9.4mpa·m^1/2。

實施例8

預(yù)先設(shè)定tib2-tic復(fù)合粉體中tic所占的質(zhì)量百分比為46.2％。將tio2粉，b4c粉，c粉混合，其中tio2粉純度為99％，平均粒徑20μm，b4c粉純度為99％，平均粒徑20μm，c粉為無定型碳，純度為99％；各原料組分質(zhì)量百分比(wt.％)如表3所示：

表3

將混合粉體放入行星式球磨機，利用碳化鎢球磨罐和直徑為5mm研磨球進行球磨。將球磨后粉體裝入石墨坩堝中，在真空碳管爐中進行碳熱\硼熱還原處理，溫度為1200℃，保溫1h，得到tib2-tic復(fù)合粉體，其中tic所占的質(zhì)量百分比為46.2％。將制備的復(fù)合粉體取出，以150mpa冷等靜壓后，在真空熱壓燒結(jié)爐中以1800℃無壓燒結(jié)，真空度<10pa，保溫時間60min，得到tib2-tic復(fù)合材料。

復(fù)合材料的致密度為97.8％，室溫下的三點彎曲強度為534～548mpa，彈性模量為528～539mpa，維氏硬度為18.1～18.6gpa，斷裂韌性為8.7～9.5mpa·m^1/2。

實施例9

預(yù)先設(shè)定tib2-tic復(fù)合粉體中tic所占的質(zhì)量百分比為46.2％。按照表3所示質(zhì)量百分比，將tio2粉，b4c粉，c粉混合，其中tio2粉純度為99％，平均粒徑20μm，b4c粉純度為99％，平均粒徑20μm，c粉為無定型碳，純度為99％。

將混合粉體放入行星式球磨機，利用碳化鎢球磨罐和直徑為5mm研磨球進行球磨。將球磨后粉體裝入石墨坩堝中，在真空碳管爐中進行碳熱\硼熱還原處理，溫度為1200℃，保溫1h，得到tib2-tic復(fù)合粉體，其中tic所占的質(zhì)量百分比為46.2％。將制備的復(fù)合粉體取出，以100mpa冷等靜壓后，在真空熱壓燒結(jié)爐中以2000℃無壓燒結(jié)，真空度<10pa，保溫時間30min，得到tib2-tic復(fù)合材料。

復(fù)合材料的致密度為98.8％，室溫下的三點彎曲強度為560～572mpa，彈性模量為530～544mpa，維氏硬度為18.7～19.3gpa，斷裂韌性為9.2～9.7mpa·m^1/2。

實施例10

預(yù)先設(shè)定tib2-tic復(fù)合粉體中tic所占的質(zhì)量百分比為46.2％。按照表3所示質(zhì)量百分比，將tio2粉，b4c粉，c粉混合，其中tio2粉純度為99％，平均粒徑20μm，b4c粉純度為99％，平均粒徑20μm，c粉為無定型碳，純度為99％。

將混合粉體放入行星式球磨機，利用碳化鎢球磨罐和直徑為5mm研磨球進行球磨。將球磨后粉體裝入石墨坩堝中，在真空碳管爐中進行碳熱\硼熱還原處理，溫度為1200℃，保溫1h，得到tib2-tic復(fù)合粉體，其中tic所占的質(zhì)量百分比為46.2％。將制備的復(fù)合粉體取出，在熱等靜壓燒結(jié)爐中以1300℃燒結(jié)，壓力200mpa，真空度<10pa，保溫時間60min，得到tib2-tic復(fù)合材料。

復(fù)合材料的致密度為98.8％，室溫下的三點彎曲強度為545～558mpa，彈性模量為516～528mpa，維氏硬度為16.5～17.2gpa，斷裂韌性為8.8～9.2mpa·m^1/2。

復(fù)合材料中tib2和tic兩相的含量。在tib2-tic相圖中，如圖4所示，tic所占的質(zhì)量百分比為40％時，為兩相的共晶成分點。在本發(fā)明中，通過原料的添加量，嚴(yán)格控制了復(fù)合材料中tib2和tic兩相的含量，其中tic所占的質(zhì)量百分比為36.4％～46.2％，可以認(rèn)為本發(fā)明需要保護的是一種tib2-tic共晶成分陶瓷復(fù)合材料。而不在該范圍(36.4％～46.2％)中tic含量，無法制備出與本發(fā)明中材料相同的微觀組織，因此也難以達到本發(fā)明中描述的材料性能。

燒結(jié)過程中真空度的控制。在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)過程中的真空度，對tib2-tic陶瓷復(fù)合材料的微觀組織有一定的影響，當(dāng)材料在惰性氣體或真空度>10pa燒結(jié)時，微觀組織并不能達到本發(fā)明中描述的微觀組織，而且性能也弱與本發(fā)明中的材料。因此，燒結(jié)過程中真空度的控制是達到本發(fā)明中復(fù)合材料的必要條件之一，所以，需要嚴(yán)格控制燒結(jié)過程中真空度<10pa。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，對本發(fā)明而言僅僅是說明性的，而非限制性的。本專業(yè)技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進行許多改變，修改，甚至等效，但都將落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。