一種高強韌Ti(C,N)基金屬陶瓷復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于陶瓷基復合材料技術應用領域，涉及一種復合材料的制備方法，特別涉及一種高強韌Ti (C，N)基金屬陶瓷復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]金屬陶瓷是由金屬粘結相和陶瓷硬質相兩相共同構成的一種多相復合功能結構材料。它不僅具有陶瓷材料強度高、耐磨損、抗氧化和高溫穩定性好的特點，還同時兼具金屬材料塑性、韌性高的優點。是一種高性能耐高溫，且具有良好高溫化學穩定性的工程結構材料。Ti (C，N)基金屬陶瓷的發展只有不到半個世紀，因其優良的耐高溫和耐磨性能、優異的韌性和較高的導熱率而備受各國科研工作者的關注，且由于其制備原料來源極其豐富、工藝簡單、制備成本低廉等優點，成為傳統硬質合金刀具的理想替代產品。但是與硬質合金刀具相比，Ti (C，N)基金屬陶瓷材料的強韌性仍顯不足，嚴重制約了其更大范圍內的應用推廣。
[0003]碳纖維擁有良好的高溫力學性能和熱性能，并且具有高的縱橫比，是目前已大量生產的高性能纖維中具有最高的比強度和比模量的纖維，特別是在2000°C以上的高溫惰性環境中，碳纖維是唯一強度不降低的結構材料，是一種理想的復合材料增強體；但是在以前的研究中發現，單純的在金屬陶瓷復合材料中加入碳纖維，兩者的相容性不理想，對金屬陶瓷材料的增韌效果不明顯。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于，提供一種高強韌Ti (C，N)基金屬陶瓷復合材料及其制備方法，通過設計原始粉料配比、添加燒結助劑、晶粒長大抑制劑和高性能增強體表面改性，制備出綜合性能優異、使用壽命可靠、成本低廉的高強韌性金屬陶瓷材料。
[0005]實現本發明所述的任務的技術解決方案:
[0006]—種高強韌Ti (C，N)基金屬陶瓷復合材料，該復合材料的組分包括:TiN、Mo、W、Co、N1、Cr2C3、C、TiC和表面改性增強體；
[0007]所述的表面改性增強體包括改性碳纖維和改性CNT中的一種或兩種的混合物，所述的改性碳纖維為表面沉積有熱解碳涂層的碳纖維，所述的改性CNT為表面沉積有熱解碳涂層的CNT。
[0008]具體的，按質量百分比計，該復合材料組分包括:llwt% TiN、12wt % Mo、1wt %WC、5wt% Co、30wt% N1、lwt% Cr2C3、lwt% C和余量為TiC，制備原料的質量百分比之和為100% ；
[0009]改性碳纖維的添加量為制備原料總質量的2wt %?8wt %，改性CNT的添加量為制備原料總質量的Iwt%?5wt%。
[0010]更具體的，所述的改性碳纖維表面沉積的熱解碳涂層的厚度為I?4μπι，碳纖維的直徑為5?7 μ m ;所述的改性CNT表面沉積的熱解碳涂層的厚度為20?40nm，CNT的直徑 20 ?40nm。
[0011]另外，在制備原料中還添加燒結助劑和/或晶粒生長抑制劑。
[0012]具體的，燒結助劑的添加量為制備原料總質量的lwt%? 5wt%，晶粒生長抑制劑的添加量為制備原料總質量的2wt%。
[0013]更具體的，所述的燒結助劑為鋁粉，鋁粉粒徑為I?3 μπι ;所述的晶粒生長抑制劑為Y2O3XeOjP Ti粉中的一種或兩種以上的混合物，Y2O3XeO2S Ti粉的粒徑為I?3 μ m。
[0014]制備所述的高強韌Ti(C，N)基金屬陶瓷復合材料的方法，各個物料混合后通過球磨、造粒、排膠和保溫處理后，再進行無壓燒結得到高強韌Ti (C，N)金屬陶瓷復合材料；
[0015]所述無壓燒結的燒結溫度為1420?1450 °C。
[0016]進一步的，所述的改性CNT的制備方法包括將CNT在溫度為950?1100°C的條件下經化學氣相沉積法在CNT表面沉積熱解碳涂層得到改性CNT ;
[0017]所述的改性碳纖維的制備方法包括將碳纖維在溫度為950?1100°C的條件下經化學氣相沉積法在碳纖維表面沉積熱解碳涂層得到改性碳纖維。
[0018]本發明的優點為:
[0019](I)本發明在Ti(C，N)基金屬陶瓷復合材料基體粉料的基礎上，添加了改性的CNT和改性的碳纖維，CNT和碳纖維經過1100 °C化學氣相沉積(Chemical vapordeposit1n, CVD)獲得不同厚度的熱解碳涂層(Pyrocarbon coating, Pyc coating)，提高了碳纖維和CNT與陶瓷基體間的潤濕性，CNT和碳纖維分散均勻且與金屬陶瓷基體的界面結合適中，強韌化效果明顯，其抗彎強度達到965.83MPa，斷裂韌性達到12.15MPa.m1/2，硬度達到17.36GPa，耐磨性和抗沖擊韌性優異、化學穩定性高，抗彎強度和斷裂韌性分別提高了 16.3%和 39.2% ；
[0020](2)本發明還通過改變基體中粘結金屬含量、不同燒結溫度確定最佳材料制備工藝，通過添加燒結助劑降低材料燒結時的溫度，通過添加晶粒長大抑制劑抑制燒結過程中晶粒的長大，材料原始粉料和后期添加物通過混合球磨、干燥、壓制成型、脫脂等處理工藝，最終利用無壓燒結技術制備出高強韌性耐磨損Ti (C，N)基金屬陶瓷復合材料；
[0021](3)本發明所制備的Ti (C，N)基金屬陶瓷復合材料，在斷裂過程中通過纖維的拔出、橋聯、斷裂和裂紋的偏轉等機理吸收更多能量，不僅提高了材料的塑性、韌性，同時又兼顧了 Ti (C，N)基金屬陶瓷的高溫性能，能夠顯著改善材料在高溫高強度工作條件下的熱穩定性能，是一種性能優異的高溫結構材料，可廣泛應用于能源裝備、機械、礦山、石油、化工、冶金、電力、汽車、工模具、航空航天及國防軍工等領域。例如，采礦設備和工程機械的掘進部件(采掘工具、掘進機錐、旋轉鉆探鉆頭等)、航空發動機高溫工作部件(噴嘴、高溫氣體過濾器件、熱交換器等)、各種反應器襯套(發熱管、密封件、閥門等)零部件，具有很好的推廣應用前景。
【具體實施方式】
[0022]本發明所述的改性碳纖維或改性CNT是指，將碳纖維或CNT通過化學氣相沉積法在碳纖維或CNT的表面沉積熱解碳涂層進行碳纖維或CNT的改性；
[0023]本發明在Ti (C，N)基金屬陶瓷復合材料基體粉料的基礎上，添加了改性的CNT和改性的碳纖維，CNT和碳纖維經過110CTC化學氣相沉積(Chemical vapor deposit1n, CVD)獲得不同厚度的熱解碳涂層(Pyrocarbon coating, Pyc coating)，提高了碳纖維和CNT與陶瓷基體間的潤濕性，CNT和碳纖維分散均勻且與金屬陶瓷基體的界面結合適中，強韌化效果明顯，其抗彎強度達到965.83MPa，斷裂韌性達到12.15MPa.m1/2，硬度達到17.36GPa，耐磨性和抗沖擊韌性優異、化學穩定性高，抗彎強度和斷裂韌性分別提高了 16.3%和39.2% ；
[0024]燒結過程中，碳纖維與金屬陶瓷原料粉之間潤濕性的好壞，最終體現出Ti (C，N)基金屬陶瓷復合材料內部二者之間結合強度的高低，結合強度過高或者過低都會影響復合材料的抗彎強度和斷裂韌性，尤其是結合強度過高會降低斷裂韌性，希望二者之間結合強度適中，這樣斷裂韌性才得以提高，目前，二者之間的潤濕性、相容性及結合強度難以測試和表征，只能通過最終的抗彎強度和斷裂韌性指標得以體現；
[0025]本發明還通過改變基體中粘結金屬含量、不同燒結溫度確定最佳材料制備工藝，通過添加燒結助劑降低材料燒結時的溫度，通過添加晶粒長大抑制劑抑制燒結過程中晶粒的長大，材料原始粉料和后期添加物通過混合球磨、干燥、壓制成型、脫脂等處理工藝，最終利用無壓燒結技術制備出高強韌性耐磨損Ti (C，N)基金屬陶瓷復合材料；
[0026]以下的實施例有助于進一步理解本發明，本發明不限于這些實施例，按照本發明的技術方案，均可獲得綜合性能優異的高強韌性耐磨損Ti (C，N)基金屬陶瓷復合材料。
[0027]實施例1:
[0028]本實施例的CNT表面改性工藝為:將CNT裝入化學氣相沉積爐中，通入反應氣體014和載氣 H2,經 950°C ?110CTC化學氣相沉積(Chemical vapor deposit1n, CVD)保溫不同的時間，獲得不同厚度的熱解碳涂層(Pyrocarbon coating, Pyc coating)，獲得的CNT熱解碳涂層厚度為20?40nmo
[0029]本實施例的碳纖維表面改性工藝為:將剪短的碳纖維裝入化學氣相沉積爐中，通入反應氣體014和載氣H 2，經950 V?1100 °C化學氣相沉積(Chemical vapordeposit1n, CVD)保溫不同的時間，獲得不同厚度的熱解碳涂層(Pyrocarbon coating, Pyccoating)，獲得的碳纖維熱解碳涂層厚度為I?4 μ m。
[0030]實施例2:
[0031]本實施例Ti (C，N)基金屬陶瓷原料配方為:TiC(余量)，llwt% TiN，12wt% Mo，1wt% WC, 5wt% Co, 30wt% Ni, Iwt% Cr2C3, Iwt% C，原料的質量百分比之和為 100% ο 將上述原料粉末放入行星式球磨機中進行濕磨混料，球磨介質為無水乙醇，球料比為7: 1，球磨轉速為360r/min，球磨時間為24h，球磨后的料漿放入真空干燥箱干燥12h，干燥溫度70°C，干燥后的粉料經摻入5wt%汽油橡膠溶液作為成型劑進行造粒，造粒后粉料