[发明专利]一种利用烧结助剂间原位反应致密二硼化钛材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于结构陶瓷领域，具体为一种利用烧结助剂间原位反应致密二硼化钛材料的方法。

背景技术

TiB₂陶瓷具有高熔点，高模量，高硬度、优异的耐磨性，良好的导热和导电性能，以及良好的化学稳定性等诸多优点。可用于高温结构材料、切割刀具、耐磨部件、导电涂层等。

目前TiB₂陶瓷的应用仍然受到很大的制约，其主要原因就在于难以获得致密的TiB₂块体材料。一般情况下TiB₂要在高温(>2000℃)高压(>30MPa)下才能获得致密的烧结体，而如此高的烧结温度又会促使晶粒生长过大，甚至在材料内诱发微裂纹，而极大地降低材料的性能。为了改善烧结性能，一般利用添加烧结助剂来生成液相，如：添加金属烧结助剂Ni、Fe、Cr，或非金属烧结助剂SiC、Si₃N₄、MoSi₂等。但是，材料晶界处残余的低熔点相会对陶瓷的高温力学性能和抗腐蚀性能产生不利的影响。

因此，为了获得性能优良的TiB₂陶瓷材料，采用对高温性能无影响的烧结助剂来实现致密化是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在较低温度下利用烧结助剂间原位反应致密二硼化钛材料的方法，通过烧结助剂间原位反应的方法，使加入的烧结助剂能互相反应，并且烧结助剂间原位反应的最终产物为一些高熔点相，既降低了烧结温度，又不会影响材料的高温使用性能。

本发明的技术方案是：

一种利用烧结助剂间原位反应致密二硼化钛材料的方法，具体步骤如下：

（1）原料组成及成分范围：

烧结助剂由Ti粉，Al粉和BN粉混合而成，其中Ti：Al：BN的摩尔比为（3.5～5.5）：（1.5～2.5）：（1.5～2.5），TiB₂粉与烧结助剂的质量比为（9.5～7）：（0.5～3）；

（2）制备工艺：

将烧结助剂钛粉、铝粉和氮化硼粉混合为原料粉，原料粉经物理机械方法混合8～24小时，烘干过筛，再将TiB₂粉与烧结助剂经物理方法混合8～24小时，烘干后过筛；然后将混合好的粉体装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10MPa～20MPa，在通有惰性气体保护气氛下烧结，升温速率为10～100℃/分钟，烧结温度为1250℃～1550℃、烧结时间为10分钟～2小时、烧结压强为20MPa～40MPa。

所述的利用烧结助剂间原位反应致密二硼化钛材料的方法，氮化硼粉粒度范围为0.5～10微米，晶型为六方氮化硼；铝粉和钛粉粒度范围为200～400目；二硼化钛粉的粒度范围为800～5000目。

所述的利用烧结助剂间原位反应致密二硼化钛材料的方法，烧结方式为在热压炉内进行热压烧结或在放电等离子体烧结炉内进行放电等离子体烧结；或者，采用热等静压烧结。

所述的利用烧结助剂间原位反应致密二硼化钛材料的方法，惰性气体为氩气、氦气或氖气。

所述的利用烧结助剂间原位反应致密二硼化钛材料的方法，物理机械方法混合采用在聚氨酯罐或陶瓷罐中干混或在酒精介质中球磨。

所述的利用烧结助剂间原位反应致密二硼化钛材料的方法，当烧结助剂的质量分数≤10%时，二硼化钛材料由二硼化钛和氮化钛及铝氧氮组成；当烧结助剂的质量分数＞10%且≤30%时，二硼化钛材料由二硼化钛和氮化钛及铝氮化钛组成。

所述的利用烧结助剂间原位反应致密二硼化钛材料的方法，当烧结助剂的质量分数≤10%时，二硼化钛占90～95wt%，氮化钛占3～6wt%，铝氧氮占2～4wt%；当烧结助剂的质量分数＞10%且≤30%时，二硼化钛占72～90wt%，氮化钛占6～12wt%，铝氮化钛占1～16wt%。

所述的利用烧结助剂间原位反应致密二硼化钛材料的方法，二硼化钛材料的致密度在98%以上。

所述的利用烧结助剂间原位反应致密二硼化钛材料的方法，二硼化钛材料的性能指标为：

弯曲强度890±35MPa，硬度25.1±0.7GPa，弹性模量560±10GPa，断裂韧性

本发明的优点是：

1、工艺简单，成本低。本发明通过简单的一步热压方法，在较低温度(≤1550℃)获得致密的TiB₂陶瓷。