一种钛/碳化钛叠层复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钛/碳化钛叠层复合材料的制备方法，属于金属/陶瓷叠层复合材料制备技术领域。该方法是由一层Ti和一层TiC依次循环交替叠加，采用真空热压炉在高纯氩气保护下，在一定的温度和压力下，让Ti与C之间发生扩散反应，原位形成TiC陶瓷相，然后与未反应完的Ti形成TiC/Ti叠层结构复合材料。本发明专利技术的复合材料有较高的抗弯强度(可超过700MPa)和较好的断裂韧性(可超过22MPa·m

A preparation method of titanium / titanium carbide laminated composite

The invention relates to a preparation method of titanium / titanium carbide laminated composite material, which belongs to the technical field of metal / ceramic laminated composite material preparation. This method is composed of a Ti layer and a TiC layer are alternately superposed by vacuum hot pressing furnace in high pure argon, at a certain temperature and pressure, the diffusion reaction between Ti and C, in situ formation of TiC ceramics, and then formed TiC/Ti laminated structure of composite materials and unreacted Ti. The composite material of this invention has high bending strength (more than 700MPa) and better fracture toughness (more than 22MPa m.

【技术实现步骤摘要】
一种钛/碳化钛叠层复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种钛/碳化钛(Ti/TiC)叠层复合材料的制备方法，属于金属/陶瓷叠层复合材料制备

技术介绍
TiC陶瓷含有离子键，具有本征脆性，其抗弯强度约550MPa，断裂韧性比较低(小于5MPa·m1/2)，严重限制了TiC陶瓷材料的在工程领域的应用，如何增加陶瓷材料的韧性和可靠性，一直是当前科学界的一个难题。Ti是一种质轻且比较稳定的过渡金属，具有耐腐蚀，耐高温等优异的性能而广泛应用于航空航天、医疗器械、体育用品等领域。Ti的活性较高，可以用来改善陶瓷界面的湿润性，从而改善陶瓷材料的力学性能。叠层结构复合材料就是人们从生物结构材料中得到启发，将硬质相和软质相交替叠加，采用一定的工艺处理后得到的层状复合材料，这种叠层结构材料能大大的提高陶瓷等脆性材料的断裂韧性。早在1990年英国的Clegg等人首次利用这种仿生结构设计，模拟叠层结构制备出SiC陶瓷与石墨的层状复合材料，让SiC陶瓷的断裂韧性提高了近4倍，并在《nature》杂质上发表该成果。叠层复合材料的主要优势是存在多界面，裂纹经过不同的界面时能有效地偏转，从而提高材料的断裂韧性。现有的金属/陶瓷叠层复合材料制备过程中，陶瓷层的制备需要将陶瓷粉配成浆料，经过成型后烧结，得到所需复合材料。采用较多的方法是将陶瓷粉和金属粉进行改性后流延法成型后，与金属片材或者金属流延片交替叠加，最后在一定温度和压力下烧结得到金属/陶瓷的叠层结构复合材料。该方法需要很高的温度和压力才能使陶瓷致密化，由于陶瓷材料与金属材料之间的高温力学性能相差较大，陶瓷材料烧结温度高，而金属材料在高温下强度下降，甚至熔化成液体而流出；该方法制备出来的叠层复合材料中每一层厚度偏大(大于100μm)且很难控制，导致单位体积界面少，不利于裂纹偏转，影响断裂韧性，因此这种制备方法得到叠层复合材料的断裂韧性很少高于10MPa·m1/2；如果陶瓷结构材料与金属的热膨胀系数相差较大，会导致界面处很多缺陷，力学性能下降，因此这种方法具有一定的局限性；金属粉体与片材相比，价格昂贵，原料成本高，粉体制备和成型过程还需要加入一些有机溶剂，成型后需要干燥或者排胶，制备的周期长，对环境有一定的污染，不利于工业化生产。龙文元等人以TiC/Ti叠层材料为研究对象，用ANSYS软件进行了有限元模拟(龙文元，吴凡.基于ANSYS的新型Ti/TiC叠层复合材料力学性能分析[J].特种铸造及有色合金,2016,36(10):1019-1022)，发现这种叠层复合材料力学性能很好。另外他们采用钛片和石墨纸进行交替堆叠，采用放电等离子烧结(SPS)10min后，得到Ti/TiC/C叠层复合材料(龙文元,李培培,傅正义.放电等离子烧结制备Ti/TiC/C层状复合材料的研究[J].热加工工艺,2012,41(2):124-125)龙文元等人采用的制备方法有一些缺陷，其中放电等离子体烧结的时间短，扩散反应不充分，导致很多C等杂质残留，影响材料力学性能，该复合材料的界面结合弱，很难增大叠层复合材料的整体尺寸，单层的尺寸分布不均匀(Ti层厚度是TiC层的4倍)，没办法采用边开口刃法的断裂韧性测试，实用价值低，另外他们采用了Ti粉和C粉以及Ti片为原料，用放电等离子烧结探索了Ti/TiC叠层复合材料的制备，最后的效果是叠层厚度过大(约200μm)，单位体积上界面数目少，影响裂纹的偏转，断裂韧性低，而且该叠层复合材料界面区域不明显，杂质含量较多，致密度不够，影响力学性能，Ti粉相对于Ti片价格更贵，成本偏高。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决TiC陶瓷的断裂韧性低，以及现有制备Ti/TiC类叠层复合材料的技术存在工艺复杂、杂质含量偏高、单层厚度不均匀、单层厚度尺寸偏大、成本高的问题，提供一种Ti/TiC叠层复合材料的制备方法。该复合材料是由硬质相TiC层和具有塑性的韧性相Ti层相互交替重复叠加而成，该复合材料受到断裂破坏时，裂纹会在陶瓷和金属的界面发生偏转，提高断裂韧性。该方法的原材料是Ti与C的片材，采用热压烧结的方法使得Ti与C进行反应形成TiC陶瓷相，然后未反应的Ti层交替叠加形成叠层结构复合材料。该方法与传统的陶瓷块体制备方法相比，不需要制备TiC和Ti的粉体，没有颗粒之间的接触，能够提高复合材料整体力学性能；而且该方法操作简单，工艺简单，具有很好的实用性。为了实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现的：一种Ti/TiC叠层复合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将钛片和碳纸剪裁成所需形状，需保证Ti片的厚度与C纸的厚度比在4～6:1；步骤二、将清洗后的钛片和碳纸依次交替叠加，再放入石墨模具中，其中Ti片的数目与C纸的数目相同；步骤三、将装有Ti片和C纸的石墨模具放置在真空热压炉中，对真空热压炉炉膛抽真空或者充填氩气，然后将炉膛由室温升温至1300℃～1600℃，施加压力至8～30MPa条件下保压，烧结1～5h后，卸载压力，随炉冷却至室温后取出，得到所述Ti/TiC叠层复合材料；所述步骤一中的Ti片与C纸的纯度高于99.5％，Ti片的厚度为0.08～0.6mm，C纸的厚度是0.02～0.1mm；所述步骤二中的Ti片在使用前用砂纸进行打磨，用氢氟酸(HF)和硝酸(HNO3)的混合溶液浸泡5～10min，然后用去离子水超声清洗干净，取出烘干；步骤三中的升温的升温速率是10℃/min，抽真空的真空度小于5×10-3Pa，充填氩气后炉膛气氛压力是压力为0.8～1.4MPa。最后得到一种Ti/TiC叠层复合材料，该复合材料由一层Ti和一层TiC依次交替重复排列而成，其中每一Ti层的厚度是30～60μm，每一TiC层的厚度是30～60μm。有益效果1、本专利技术的一种Ti/TiC叠层复合材料的制备方法步骤少，操作简单，实用性强。2、本专利技术制备的叠层复合材料中的TiC与Ti热膨胀系数接近，烧结过程中宏观应力小，缺陷少，与单一的TiC陶瓷材料相比，抗拉强度和断裂韧性有所提高。3、本专利技术利用的Ti与C之间的固相扩散反应形成TiC陶瓷相，并且TiC陶瓷层与Ti层具有很好的亲和性，界面结合良好，力学性能得到提高。4、本专利技术可以通过减小原始材料Ti层与C层的厚度和热压烧结的工艺参数，对单层TiC陶瓷和单层Ti层的厚度进行调控，得到的Ti/TiC叠层复合材料的杂质含量少，单层的均匀性高，单层尺寸小于100μm，界面数目较多，断裂韧性好。5、本专利技术采用的片材，原材料比金属粉体更容易制备，采用真空烧结炉制备，与传统流延成型和热压烧结制备的金属/陶瓷叠层复合材料对比，不用提前制备陶瓷粉体和基片，设备需求少，操作简单易行，生产成本低，不用加入有机胶粘剂，对环境几乎无污染，具有工业化应用前景。附图说明图1是实施例1中Ti/TiC叠层复合材料的X射线衍射(XRD)图谱；图2是实施例1中Ti/TiC叠层复合材料断面背散射扫描电子显微镜(BSEM)图；图3是实施例2中Ti/TiC叠层复合材料的X射线衍射(XRD)图谱；图4是实施例2中Ti/TiC叠层复合材料截面背散射扫描电子显微镜(BSEM)图；图5是实施例2中Ti/TiC叠层复合材料低倍数背散射扫描电子显微镜图。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛/碳化钛叠层复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、将钛片和碳纸剪裁成所需形状，需保证钛片的厚度与碳纸的厚度比在4～6:1；步骤二、将清洗后的钛片和碳纸依次循环交替叠加，再放入石墨模具中，其中钛片的数目与碳纸的数目相同；步骤三、将装有钛片和碳纸的石墨模具放置在真空热压炉中，对真空热压炉炉膛抽真空或者充填氩气，然后将炉膛由室温升温至1300℃～1600℃，施加压力至8～30MPa条件下保压，烧结1～5h后，卸载压力，随炉冷却至室温后取出，得到所述钛/碳化钛叠层复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种钛/碳化钛叠层复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、将钛片和碳纸剪裁成所需形状，需保证钛片的厚度与碳纸的厚度比在4～6:1；步骤二、将清洗后的钛片和碳纸依次循环交替叠加，再放入石墨模具中，其中钛片的数目与碳纸的数目相同；步骤三、将装有钛片和碳纸的石墨模具放置在真空热压炉中，对真空热压炉炉膛抽真空或者充填氩气，然后将炉膛由室温升温至1300℃～1600℃，施加压力至8～30MPa条件下保压，烧结1～5h后，卸载压力，随炉冷却至室温后取出，得到所述钛/碳化钛叠层复合材料。2.如权利要求1所述的一种钛/碳化钛叠层复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的钛片与碳纸的纯度高于99.5％，钛片的厚度为0.08～0.6mm，碳纸的厚度是0.02～0.1mm。3.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：程兴旺，谭友德，马帅，张洪梅，吴世平，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11