[发明专利]TiC/Al2O3/Fe复合陶瓷基复合材料的制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种制备高致密度TiC/Al₂O₃/Fe复合陶瓷基复合材料的方 法。属于材料加工工程技术领域。

(二)背景技术

TiC/Al₂O₃/Fe复合陶瓷基复合材料具有高熔点、耐腐蚀性、抗氧化性、 较好的韧性而被广泛地应用于高温结构部件，例如高温点火器、高温管和 切削刀具等。过去采用热压烧结技术生产该材料。存在对设备要求高，浪 费能源等缺点。迫切需要一种高效节能新工艺。自蔓延高温合成(SHS) 技术是一种利用自身化学放热反应，在短时间里(几秒～几十秒)完成材料 合成的高效节能技术。但是，直接采用此方法合成材料，只能得到疏松、 多孔的块状料或粉料。通常采用反应热压技术提高其致密性。即当SHS 反应刚刚完成，合成材料处于红热、软化状态时，对其施加外部压力，以 实现材料致密化。外力的施加方式可以是气压、液压、爆炸压和锻压、机 械模压、热轧和热挤等。

(三)发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种对设备要求低，节约能源， 致密度高的TiC/Al₂O₃/Fe复合陶瓷基复合材料的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：一种TiC/Al₂O₃/Fe复合陶瓷基复合材料 的制备方法，其特征在于所述方法包括以下工艺过程：首先，根据Ti与C 反应合成TiC的原理，将Ti与C按原子比1∶1配制后造粒，再利用铝热 反应原理，按方程式Fe₂O₃+2Al＝Al₂O₃+2Fe+828.894(kJ)配制铝热焊剂， 再按比例将已经颗粒化的钛、石墨粉的混合物与铝热焊剂充分混匀后用液 压机压制成预制块，将模锻模具固定在液压机上，然后放入预制块，采用 电阻丝短路方法在下部点燃预制块，使其发生钛粉与石墨和氧化铁与铝两 种自蔓延反应，生成液态Fe、Al₂O₃和TiC颗粒，在Fe/Al₂O₃/TiC混合物 凝固过程中进行模锻，使其在压力下结晶，从而获得高致密度复合陶瓷基 复合材料。

本发明涉及的铝热焊剂，以Fe₂O₃+2Al＝Al₂O₃+2Fe+828.894(kJ)铝 热反应方程为基本配方，根据复合材料对高温强度、硬度、韧性、耐蚀性、 耐冲击、热震性等单一或综合性能要求不同，添加合金元素，调整复合自 蔓延反应材料配方。

本发明涉及的Ti与C可发生自蔓延反应的配方为：两者的。反应产物 中的三氧化二铝颗粒以及碳化钛颗粒硬度高，耐磨性好。

本发明采用的是多级自蔓延反应热压技术制备TiC/Al₂O₃/Fe复合陶瓷 基复合材料，本发明的有益效果是：

1、节能：铝热及碳化钛的反应均属于自蔓延反应，可以充分利用化学 反应本身放出的热量，在合成过程中温度可达1500-4000℃；

2、高效：无需热量从外部传递到物料的过程，反应速度一般为 0.1-20cm/s；

3、设备小、精度高、质量好：在合成过程中，燃烧前沿温度极高，可 蒸发掉挥发性的杂质，因而产物通常是高纯度的。反应后的一段时间内产 物具有触变性，流动性好，液态模锻致密化装置吨位小、致密化的复合材 料密度高、质量好；

4、降低了成本：与单纯使用碳化钛材料相比这里采用的原材料更廉价， 且设备简单、工艺节能、材料利用率高。

5、铝热反应产生的陶瓷高温性能突出、化学稳定性好、硬度高、韧性 好，同时结合有碳化钛陶瓷的优势性，且反应较容易控制；

6、材料可设计：可通过加入填料改性，使堆焊层材料具有可设计性；

7、在Fe₂O₃和Al粉末的混合块反应后生成液相，显著提高了材料的 致密度及与相互间的结合强度。

8、TiC颗粒的存在，使Al₂O₃颗粒在Fe中的分布均匀。

(四)具体实施方式

本发明涉及一种TiC/Al₂O₃/Fe复合陶瓷基复合材料的制备方法，其典 型的实施例是：首先，按原子比为1∶1的配比配制的钛粉与石墨粉充分混 合，然后对混合的粉末造粒，再按方程式Fe₂O₃+2Al＝Al₂O₃+2Fe+828.894 (kJ)将粒度为20-30目的铝粉与粒度小于100目的氧化铁粉充分混和成 铝热焊剂，加入已经颗粒化的钛、石墨粉的混合物，充分混合2～4小时， 制成混合粉末，采用液压机将混合粉末压制成预制块(50％理论密度)，并 将模具固定在液压机上，在模具内放入预制块，采用电阻丝短路方法点燃 预制块，使预制块发生两种自蔓延反应，生成铁水和三氧化二铝颗粒以及 碳化钛颗粒。在铁/三氧化二铝/碳化钛陶瓷混合物凝固过程中进行致密化加 压，使其在压力下结晶，从而获得高密度复合材料。