[发明专利]一种非化学计量比氮化钛与氮化铝复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷复合材料的制备方法。

背景技术

在高技术陶瓷的各类品种中，氮化钛陶瓷（TiN）具有高硬度、耐腐蚀、高导电性、高温稳定性等很多的优异的性能，以表面膜的状态被广泛应用；作为块状烧结体材料，则可用来开发陶瓷刀具、高温轴承、喷油嘴、高温密封件、高温耐磨件等，并且由于其良好的导电性还容易加工。但是由于氮化钛的熔点高（2950 ℃）、难烧结、烧结体脆性大等因素，极大地限制了这类材料作为块体的应用。为了降低其烧结温度、提高韧性，专利ZL200810055549.5通过机械合金化的方法制备非化学计量比氮化钛粉末。用这一专利技术制备的非化学计量比TiNx粉末，烧结制备的氮化钛烧结体的烧结温度可降低到1600℃，硬度达到21.4GPa，韧性和三点弯曲强度分别为7.03MPa×m^1/2和307.6 MPa[孙金峰，MA制备非化学计量比TiC_x和TiN_x及其烧结特性的研究，博士论文，燕山大学，2009]。即便如此，对于要求韧性较高的应用还是有一定不足。关于TiN/AlN复合材料方面，邹东利等在文献“反应室沉积TiN／AlN复相陶瓷的研究”[热加工工艺，2006 （7）Vo1.35，13-14,18 ]中，提到了“采用自蔓延高温合成与等离子喷涂相结合的方法在自制的反应室中沉积了TiN／AlN复相陶瓷。通过XRD、SEM、TEM等手段对复相陶瓷进行了相分析、表面形貌及微观结构分析，结果表明，复相陶瓷主要由TiN和AlN两相组成，但复相陶瓷粒子间的结合较差，没有明显的相界，TEM表明复相陶瓷有类似于羽毛状的形貌。”，主要区别在于其方法为自蔓延高温合成与等离子喷涂相结合所获得的膜，而非块体材料，并且仅进行了相分析、形貌及微观结构分析；周立娟等在文献“AlN-TiN-TiB₂复相陶瓷的显微结构和力学性能”[稀有金属材料与工程, Vo1.38，2009（增刊2），502-505]提到：“以Al、TiN、B₄C、Si为原材料，采用自蔓延高温合成热等静压（SHS／HIP）技术制备了AlN-TiN-TiB₂复相导电陶瓷，测定其相对密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧度等力学性能。其硬度、韧性及三点弯曲强度分别为72 HRA（大概相对于10-12GPa），155 MPa，4.1 MPa×m^1/2。与本发明相比其原料、方法明显不同，性能差异较大。未见其它与此相关的文献。到目前为止，还没有关于TiN韧性改进更好的报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不明显降低硬度及抗折强度的前提下提高TiN与AlN复合块状烧结体韧性的非化学计量比氮化钛与氮化铝复合材料的制备方法。本发明主要是以非化学计量比的氮化钛为基本原料，采用高能球磨的方法与氮化铝粉末的高度混合，然后控制烧结温度、保温时间等工艺参数，在SPS烧结方式下制备非化学计量比氮化钛-氮化铝复合材料烧结体。

本发明的制备方法如下：

1、非化学计量比氮化钛的制备

按摩尔比3-6:1的比例，将纯度＞99.9%、粒度＜10μm的Ti粉与分析纯的尿素（CH₄N₂O，下同）混合后，与硬质合金磨球一起在充满氩气的手套箱中密封于硬质合金球磨罐中，球料比为10-20:1。反应球磨在高能行星球磨机上进行，球磨时间为30-70小时，根据需要及检验结果选定。

2、复合粉体的制备

复合粉体的化学成分质量百分比为：上述非化学计量比氮化钛为70-85%，余量为含量99.0%氮化铝。将上述非化学计量比氮化钛和氮化铝混合均匀，在真空手套箱惰性气体环境下装入球磨罐中。在真空手套箱过渡舱内冲入氩气至与外界大气压平衡，打开外舱门，放入上述球磨罐，关好舱门后将手套箱内抽真空5 min，再向其中充入氩气至与外界大气压力平衡；打开内舱门在手套箱内向球磨罐内的原料中加入 0.3 ml/100g 无水乙醇作为过程控制剂以防止球磨后所制备的粉体结块，然后将球磨罐密封取出。将取出的球磨罐在高能球磨机上进行球磨，球磨机的转速为400-450r/min，球磨时间为4-5h。待球磨罐冷却后，将其取下放入真空手套箱中，关好舱门后将手套箱内抽真空5 min，再向其中充入氩气，至与外界大气压力平衡后，打开球磨罐，将混合好的料取出，根据非化学计量比氮化钛和氮化铝的理论密度计算，称取可获得致密烧结体需要的非化学计量比氮化钛和氮化铝复合粉体，并装入事先准备好的石墨模具中，加上下压头密封，取出。