[发明专利]一种(Ti, M)C纳米固溶体粉末及其制备方法

说明书

本发明公开了一种(Ti,M)C纳米固溶体粉末及其制备方法，所述(Ti,M)C纳米固溶体粉末所含组分及各组分的重量百分数为：Ti 35~79.9%，M 0.1~35%，余量为C，所述M为W、Mo、Cr、Ta、V或Nb中的至少一种；制备方法为：将Ti粉、炭黑粉以及组分M的粉末原料混合进行高能球磨，将球磨后得到的混合料干燥，再将干燥后的混合料置于坩埚中，并加入卤化剂，然后在Ar气保护条件下，于900~1000℃保温2~4h，得到混有卤化剂的(Ti,M)C纳米固溶体粉末，最后使用蒸馏水溶解卤化剂，并经离心、干燥后，即得到所述(Ti,M)C纳米固溶体粉末。本发明方法能够在900‑1000℃完成(Ti,M)C的碳化、固溶反应，制备的(Ti,M)C固溶体粉末，具有单一相成分特征，其平均粒径100 nm，粉末纯度高，碳含量易于精确调控。

技术领域

本发明属于冶金材料领域，具体涉及一种(Ti, M)C纳米固溶体粉末及其制备方法。

背景技术

碳化钛（TiC）具有高熔点、高硬度等优点，主要用作钢铁材料的弥散强化质点，硬质合金添加剂以及金属陶瓷的组元粉末等，以提高材料的强度、韧性和耐磨性等性能，在汽车、电子、机械、冶金、宇航、新材料等工业领域有着广泛的用途。然而，TiC粉末与基体材料之间的界面结合不佳仍是阻碍其工业应用的技术瓶颈。这种界面结合与TiC在基体材料中的溶解度、润湿性、界面反应性、相间相容性（如热膨胀系数、导热性等匹配性）等密切相关。TiC具有立方晶体结构，第二类碳化物元素M（如W、Mo、V等）的金属原子在高温下可溶解进入TiC晶格，部分取代Ti原子形成(Ti, M)C固溶体。从材料设计角度出发，可通过元素掺杂来有效调控TiC的溶解度、润湿性等物理化学特性，从而改善TiC与不同复合材料基体之间的界面结合状态。例如，目前工业上的YT硬质合金普遍采用(Ti, W)C固溶体添加方式将TiC组分引入到WC-Co体系中，以提高刀具高温切削性能。

目前，工业合成碳化物粉末一般是采用高温碳化反应，以(Ti, W)C为例，工业制备(Ti, W)C固溶体粉末，通常是将TiC+WC或TiO₂+WO₃+C或Ti+W+C的球磨混合料（一般地，球磨转速在30-50转/分钟）在1600-2000℃反应合成。显然，高温反应造成的晶粒长大对纳米粉末合成是及其不利的。有研究表明，利用偏钛酸、偏钨酸铵、葡萄糖等粉末作为前驱体来合成(Ti, W)C纳米固溶体粉末，可将反应温度降低到1300℃左右，但碳、氧含量较难精确控制。总体上，合成(Ti, M)C纳米固溶体粉末的技术关键在于如何在较低温度下实现“Ti与C”的碳化反应和“M与TiC”的固溶反应。具体地，就是要从技术上实现各组元元素在分子级别的均匀混合，缩短C原子与Ti原子在碳化反应时的扩散路径和M元素固溶到TiC晶格中的扩散路径，显著降低反应温度。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种(Ti, M)C纳米固溶体粉末及其制备方法，解决现有碳化物粉末合成温度高的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种(Ti, M)C纳米固溶体粉末，所含组分及各组分的重量百分数为：Ti 35~79.9%，M 0.1~35%，余量为C，所述M为W、Mo、Cr、Ta、V或Nb中的至少一种；本发明提供的(Ti,M)C纳米固溶体粉末具有单一相成分特征，所谓单一相成分是指(Ti, M)C具有唯一的氯化钠型的面心立方点阵结构，其中Ti、M所代表的元素原子占据钠原子的点阵位置，C元素原子占据氯原子的点阵位置，所述的(Ti, M)C纳米固溶体粉末平均粒径小于100nm。

本发明还提供了上述(Ti, M)C纳米固溶体粉末的制备方法，包括如下步骤：

（1）高能球磨：将称量好的Ti粉、炭黑粉以及组分M的粉末原料以无水乙醇为介质进行球磨，球磨时间6~10h，球磨转速300~600r/min，球料比10~15:1，球磨结束后，将球磨混合料于50~80℃的真空干燥箱中干燥后，得到高反应活性的块状混合物；