[发明专利]一种强韧化碳氮化钛基金属陶瓷及制备方法

说明书

本发明涉及一种强韧化碳氮化钛基金属陶瓷及制备方法，由硬质相Ti(C,N)固溶体、粘结相Ni、纤维素纳米晶组成的有机无机杂化体系；硬质相Ti(C,N)固溶体、粘结相Ni组合成复合碳氮化钛基金属陶瓷，所述复合碳氮化钛基金属陶瓷的基体中均匀分散着纤维素纳米晶；制备方法为：将TiC粉、TiN粉、Ni粉、WC粉、Mo粉及石墨粉投入尼龙球磨罐中，配置纤维素纳米晶‑乙醇悬浮液作为球磨介质，随后在行星式球磨机上进行球磨，球磨时间为36～54h；球磨后将粉末进行烘干；随后掺入聚乙二醇作为成形剂进行模压成形；放入在真空炉中对压坯进行真空脱脂，保温时间8～12h，对脱脂后的压坯进行真空烧结，烧结温度为1410～1455℃，保温时间为45～60min，制得强韧化碳氮化钛基金属陶瓷。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料和粉末冶金技术领域，涉及一种高强韧性金属陶瓷的制备方法，具体涉及一种强韧化碳氮化钛基金属陶瓷及制备方法。

背景技术

Ti(C,N)基金属陶瓷是一种以Ti(C,N)为主要硬质相、Ni为粘结相，采用粉末冶金工艺制备的陶瓷基复合材料。与WC-Co硬质合金相比，金属陶瓷具有更佳的红硬性、耐磨性和抗氧化性，并且它与金属间摩擦系数较低，是制作高速高效切削刀具及热成型模具的理想材料。此外，金属陶瓷主要成分的储量更为丰富，其制作成本仅为硬质合金的35～55％，因此备受材料研究人员的关注。然而，与硬质合金高韧性(断裂韧性约9～16MPa·m^1/2)相比，Ti(C,N)基金属陶瓷的韧性仍较低(断裂韧性约为6～9MPa·m^1/2)，在震动较大的服役环境下易发生脆断而失效，强韧性的不足使其应用领域受到了极大的限制，这也成为制约该材料代替WC-Co硬质合金的最主要因素。

传统的Ti(C,N)基金属陶瓷一般通过添加Mo₂C(或Mo)、WC等来提高金属陶瓷的综合力学性能。这些添加剂的加入使得金属陶瓷的显微组织呈现出典型的芯-环结构，虽然环形相改善了陶瓷晶粒与金属粘结相之间的润湿性，但是在芯环结构中存在的大量相界面，以及成分及物性参数上的差异，使得材料在受外载荷作用时，界面上容易萌生裂纹并发生增殖与扩展。这是Ti(C,N)基金属陶瓷的强韧性低于硬质合金的主要原因之一。

向陶瓷基体中添加晶须或纤维，利用填料较高的强度和弹性模量以及非几何弹性体形貌等特点，从而提高陶瓷材料的强韧性，已被陶瓷基复合材料研究者广泛报道。如有研究在球磨过程中加入SiC晶须，随后通过模压、真空烧结等工艺后获得Ti(C,N)基金属陶瓷材料，强度达到1900MPa，断裂韧性达到9.5MPa·m^1/2，虽然从一定程度上提高了材料的强韧性，但相较于晶须在陶瓷材料中的应用效果，其提升幅度仍显不足。微观结构观测表明SiC晶须并未能在金属陶瓷基体中有效的均匀分布，这主要是由于SiC晶须是直接加入到混合粉末中进行球磨分散，由于材料体系较为复杂，球磨过程十分容易造成晶须的偏聚与破坏，因此使得晶须无法实现有效作用。另一方面，无机填料的使用必然会对环境和人体健康带来影响。因此，采用一种环境友好的高强填料，保证其在陶瓷基体中均一分布的条件下，可以稳定提高复合陶瓷的力学性能，是研发新型高强碳氮化钛基金属陶瓷的新思路。

从天然纤维素资源中提取的纤维素纳米晶，是一种高度结晶的刚性棒状生物质纳米粒子，被认为是自然界各种生物力学性能构建的基础元素。和众多无机纳米粒子相比，纤维素纳米晶具有其独特的优势，如已被证明的低毒性、高结晶性和棒状形貌、高比表面积和刚性模量、可生物降解、可生物相容等。尤其值得指出的是，通过除去纤维素中无定型区域得到的高结晶纤维素纳米晶，其弹性模量达到100-150GPa，比模量和芳纶纤维(Kevlar)相当，甚至比玻璃纤维(广泛用作复合材料的增强填料)和钢材高3-4倍。纤维素纳米晶以其高力学模量和棒状特性，被广泛应用于各种复合体系的增强填料。

发明内容