專利名稱：高純致密氮化鋁鈦塊體材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新型結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，特別是涉及一種高純致密氮化鋁鈦塊體材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
氮化鋁鈦(Ti2AlN)陶瓷是具有六方結(jié)構(gòu)的三元層狀化合物中的一種。這類化合物具有非常特別的性質(zhì)。他們既有陶瓷的一些性質(zhì)，如耐高溫抗氧化、耐腐蝕等，又具有金屬的一些性質(zhì)，如機(jī)械可加工性、抗熱震性、高溫塑性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等，同時(shí)還有較好的自潤(rùn)滑性，有的報(bào)告稱還有熱電性。因此，實(shí)際上是一類兼有功能——結(jié)構(gòu)一體化的化合物。在民用機(jī)電行業(yè)及軍工領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)它們的研究受到特別的重視。目前對(duì)于這類化合物研究較多的是Ti3SiC2和Ti2AlC的合成及其復(fù)合材料的制備，并且有一些實(shí)際應(yīng)用。在應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)他們存在導(dǎo)電性不足以及硬度偏高的缺陷。實(shí)際上，不被人們重視的Ti2AlN，有比Ti3SiC2系和Ti2AlC更優(yōu)越的性能，如具有更好的可加工性、導(dǎo)電性以及自潤(rùn)滑性，正好可以彌補(bǔ)Ti3SiC2系和Ti2AlC的一些不足。但是，目前Ti2AlN的研究比較少，主要原因是Ti-Al-N系統(tǒng)化合物較多，有Ti2AlN、Ti3Al2N2、Ti3AlN2和Ti4AlN3等，難以做到可控合成。
文獻(xiàn)(1)以Ti、AlN為原料，在1600℃下通過熱等靜壓4小時(shí)合成了Ti2AlN。文獻(xiàn)(2)分別用以Ti、AlN為原料，在1400℃下通過熱等靜壓48小時(shí)合成了Ti2AlN。這兩種方法合成溫度高，時(shí)間長(zhǎng)，合成成本較高，且合成產(chǎn)物中含有10和15體積含量的雜質(zhì)相。文獻(xiàn)(3)以Ti、AlN為原料，通過振動(dòng)致密化反應(yīng)合成(shock densification and subsequent reactionsynthesis)方法合成了Ti2AlN。將粉料置于振動(dòng)致密化模具中，在計(jì)算峰值壓力5GPa和9GPa壓力下擠壓振動(dòng)。但是，合成產(chǎn)物中有TiN雜質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高純致密氮化鋁鈦塊體材料及其制備方法，本方法工藝簡(jiǎn)單，適合工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)，所制備的高純致密氮化鋁鈦塊體材料具有優(yōu)異的性能。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是高純致密氮化鋁鈦塊體材料，其原料組成及成分范圍為以Ti粉、Al粉、TiN粉為原料；三種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶(0.5～1.2)∶(0.7～1.5)。
利用原位熱壓合成工藝制備上述的高純致密氮化鋁鈦塊體材料，其步驟包括1)稱取Ti粉、Al粉、TiN粉。
2)將稱取的原料粉末混合均勻后，置于石墨模具中，在熱壓燒結(jié)系統(tǒng)氬氣保護(hù)氣氛中進(jìn)行燒結(jié)。
3)燒結(jié)步驟為以5～100℃/min的升溫速率升至1200～1400℃，保溫1～8小時(shí)，壓力為20～80MPa。
4)燒結(jié)完成后，在惰性氣氛保護(hù)下，關(guān)掉電源，自然冷卻。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是利用一種原位反應(yīng)制備Ti2AlN陶瓷材料，其基本原理是利用外界加熱和Ti、Al之間反應(yīng)所放出的大量熱，使系統(tǒng)溫度升高，TiN溶解在TiAl基液體中，放熱反應(yīng)結(jié)束后，系統(tǒng)溫度隨之下降，三元相Ti2AlN析出。反應(yīng)過程同時(shí)進(jìn)行加壓，使材料致密化，從而得到Ti2AlN塊體材料。
本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于利用原位熱壓合成工藝制備出高純的塊體Ti2AlN材料，結(jié)構(gòu)致密，無界面污染。整個(gè)制備過程選用的原材料簡(jiǎn)單，充分利用了原位反應(yīng)優(yōu)點(diǎn)和熱壓燒結(jié)工藝的特點(diǎn)，合成溫度低，時(shí)間短。本發(fā)明簡(jiǎn)單可靠、成本低、產(chǎn)率高，適合工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。
本發(fā)明的產(chǎn)物中Ti2AlN的含量可由內(nèi)標(biāo)法測(cè)定，其值高達(dá)97％，材料致密度由阿基米德法(Archimedes)測(cè)定，密度為4.22g/cm3，達(dá)到理論密度的97.9％(理論密度為4.31g/cm3)。通過力學(xué)性能測(cè)試，本發(fā)明的材料具有優(yōu)秀的力學(xué)性能。


附圖為原位熱壓工藝燒結(jié)Ti2AlN試樣的X射線衍射圖譜。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明涉及一種高純致密氮化鋁塊體材料，其原料組成及成分范圍為以Ti粉、Al粉、TiN粉為原料，三種原料的摩爾比是為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶(0.5～1.2)∶(0.7～1.5)。
值得一提的是，JCPDF卡片中(card No.18-0070)，Ti2AlN在2θ＝40附近只有一個(gè)峰。A.T.Procopio[4]認(rèn)為不正確，應(yīng)該有兩個(gè)峰分別是2θ＝39.911的006峰和2θ＝40.265的103峰。由附圖可知，本發(fā)明的結(jié)果與此相符，在2θ＝40附近有兩個(gè)衍射峰出現(xiàn)。
本發(fā)明高純致密氮化鋁塊體材料由原位熱壓合成工藝合成，其包括以下步驟1)稱取Ti粉、Al粉、TiN粉。
2)將稱取的原料粉末混合均勻后，置于石墨模具中，在熱壓燒結(jié)系統(tǒng)氬氣保護(hù)氣氛中進(jìn)行燒結(jié)。
3)燒結(jié)步驟為以5～100℃/min的升溫速率升至1200～1400℃，保溫1～8小時(shí)，壓力為20～80MPa。
4)燒結(jié)完成后，在惰性氣氛保護(hù)下，關(guān)掉電源，自然冷卻。
實(shí)施例1原料粉末按摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶0.8∶1.2；混合均勻，放入石墨模具中，在熱壓燒結(jié)系統(tǒng)，氬氣保護(hù)中進(jìn)行燒結(jié)。升溫速度為80℃/min，燒結(jié)溫度為1200℃，壓力為80MPa，保溫60分鐘。塊體材料的致密度為95％，Ti2AlN含量為91％。在INSTRON-1195萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)得，材料的抗壓強(qiáng)度≥800MPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度σb≥500MPa，KIC≥8MPa·m1/2。
實(shí)施例2原料粉末按摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶1.2∶0.7；混合均勻，放入石墨模具中，在熱壓燒結(jié)系統(tǒng)，氬氣保護(hù)中進(jìn)行燒結(jié)。升溫速度為80℃/min，燒結(jié)溫度為1350℃，壓力為60MPa，保溫120分鐘。塊體材料的致密度為97％，Ti2AlN含量為88％。在INSTRON-1195萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)得，材料的抗壓強(qiáng)度≥800MPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度σb≥500MPa，KIC≥8MPa·m1/2。
實(shí)施例3原料粉末按摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶0.5∶1.5；混合均勻，放入石墨模具中，在熱壓燒結(jié)系統(tǒng)，氬氣保護(hù)中進(jìn)行燒結(jié)。升溫速度為80℃/min，燒結(jié)溫度為1400℃，壓力為20MPa，保溫8小時(shí)。塊體材料的致密度為96％，Ti2AlN含量為85％。在INSTRON-1195萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)得，材料的抗壓強(qiáng)度≥800MPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度σb≥500MPa，KIC≥8MPa·m1/2。
實(shí)施例4原料粉末按摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶1.2∶1.1；混合均勻，放入石墨模具中，在熱壓燒結(jié)系統(tǒng)，氬氣保護(hù)中進(jìn)行燒結(jié)。升溫速度為80℃/min，燒結(jié)溫度為1300℃，壓力為50MPa，保溫4小時(shí)。塊體材料的致密度為97％，Ti2AlN含量為93％。在INSTRON-1195萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)得，材料的抗壓強(qiáng)度≥800MPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度σb≥500MPa，KIC≥8MPa·m1/2。
以上材料的抗壓強(qiáng)度、三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性的測(cè)試在INSTRON-1195萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，試條加載速率為0.5mm/min，跨距為25mm。斷裂韌性采用單邊切口梁法測(cè)定，切口在試條長(zhǎng)度方向的正中，深度為2.5mm，支座跨距為20mm，加載速率為0.5mm/min。
本專利參考文獻(xiàn)[1]M.W.Barsoum and M.Ali，Processing and Characterization of Ti2AlC，Ti2AlN andTi2AlC0.5N0.5，Metallurgical and Materials Transactions A，31A(2000)1857. M.W.Barsoum and D.Brodkin，Layered Machinable Ceramics for High TemperatureApplicatins，Scripta Metall.Mater.，36(1997)535. Jennifer L.Jordan and Naresh N.Thadhani，Effect of Shock-activation of Post-shockReaction Synthesis of Ternary Ceramics，Shock Compression of Condensed Matter，620(2001)1097. A.T.Procopio，T.El-Raghy and M.W.Barsoum，Synthesis of Ti4AlN3and Phase Equilibriain the Ti-Al-N System，Metallurgical and Materials Transactions A，31A(2000)373.
權(quán)利要求
1.一種高純致密氮化鋁鈦塊體材料，其特征在于其原料組成及成分范圍為以Ti粉、Al粉、TiN粉為原料；三種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶(0.5～1.2)∶(0.7～1.5)，該材料利用原位熱壓工藝合成，其包括以下步驟1)稱取Ti粉、Al粉和TiN粉，2)將稱取的原料粉末混合均勻后，置于石墨模具中，在熱壓燒結(jié)系統(tǒng)，氬氣氣氛保護(hù)中進(jìn)行燒結(jié)，3)燒結(jié)步驟為以5～100℃/min的升溫速率升至1200～1400℃，保溫1～8小時(shí)，壓力為20～80Mpa，4)燒結(jié)完成后，在惰性氣氛保護(hù)下，關(guān)掉電源，自然冷卻。
2.一種高純致密氮化鋁鈦塊體材料的制備方法，其特征在于由原位熱壓工藝合成，包括以下步驟1)稱取Ti粉、Al粉和TiN粉，三種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶(0.5～1.2)∶(0.7～1.5)，2)將稱取的原料粉末混合均勻后，置于石墨模具中，在熱壓燒結(jié)系統(tǒng)，氬氣氣氛保護(hù)中進(jìn)行燒結(jié)，3)燒結(jié)步驟為以5～100℃/min的升溫速率升至1200～1400℃，保溫1～8小時(shí)，壓力為20～80Mpa，4)燒結(jié)完成后，在惰性氣氛保護(hù)下，關(guān)掉電源，自然冷卻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高純致密氮化鋁鈦塊體材料的原位熱壓合成工藝，其特征在于三種原料的摩爾比n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶0.8∶1.2。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高純致密氮化鋁鈦塊體材料的原位熱壓合成工藝，其特征在于三種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶1.2∶0.7。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高純致密氮化鋁鈦塊體材料的原位熱壓合成工藝，其特征在于三種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶0.5∶1.5。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高純致密氮化鋁鈦塊體材料的原位熱壓合成工藝，其特征在于三種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶1.2∶1.1。
全文摘要
本發(fā)明是一種高純致密氮化鋁鈦塊體材料及其制備方法。本材料的原料組成及成分范圍為以Ti粉、Al粉、TiN粉為原料；三種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)＝1∶(0.5～1.2)∶(0.7～1.5)。本材料由原位熱壓合成工藝制成，其步驟包括按工藝要求稱取Ti粉、Al粉、TiN，混合均勻后，置于石墨模具中，在熱壓燒結(jié)系統(tǒng)，氬氣氣氛保護(hù)中進(jìn)行燒結(jié)；以5～100℃/min的升溫速率升至1200～1400℃，保溫1～8小時(shí)，壓力為20～80MPa；燒結(jié)完成后，在惰性氣氛保護(hù)下，關(guān)掉電源，自然冷卻。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、成本低、產(chǎn)率高，適合工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，所制備的產(chǎn)品具有優(yōu)秀的力學(xué)性能。
文檔編號(hào)C04B35/622GK1919794SQ20061012451
公開日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2006年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月13日
發(fā)明者梅炳初, 嚴(yán)明, 周衛(wèi)兵, 朱教群, 田晨光, 王蘋 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)