專利名稱：高純致密氮化鋁鈦塊體材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及新型結構材料領域，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：
氮化鋁鈦(Ti2AlN)陶瓷是具有六方結構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。他們既有陶瓷的一些性質，如耐高溫抗氧化、耐腐蝕等，又具有金屬的一些性質，如機械可加工性、抗熱震性、高溫塑性、導電、導熱等，同時還有較好的自潤滑性，有的報告稱還有熱電性。因此，實際上是一類兼有功能——結構一體化的化合物。在民用機電行業及軍工領域均有廣泛的應用前景，對它們的研究受到特別的重視。目前對于這類化合物研究較多的是Ti3SiC2和Ti2AlC的合成及其復合材料的制備，并且有一些實際應用。在應用過程中，發現他們存在導電性不足以及硬度偏高的缺陷。實際上，不被人們重視的Ti2AlN，有比Ti3SiC2系和Ti2AlC更優越的性能，如具有更好的可加工性、導電性以及自潤滑性，正好可以彌補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系統化合物較多，有Ti2AlN、Ti3Al2N2、Ti3AlN2和Ti4AlN3等，難以做到可控合成。
文獻(1)以Ti、AlN為原料，在1600℃下通過熱等靜壓4小時合成了Ti2AlN。文獻(2)分別用以Ti、AlN為原料，在1400℃下通過熱等靜壓48小時合成了Ti2AlN。這兩種方法合成溫度高，時間長，合成成本較高，且合成產物中含有10和15體積含量的雜質相。文獻(3)以Ti、AlN為原料，通過振動致密化反應合成(shock densification and subsequent reactionsynthesis)方法合成了Ti2AlN。將粉料置于振動致密化模具中，在計算峰值壓力5GPa和9GPa壓力下擠壓振動。但是，合成產物中有TiN雜質。
發明內容
本發明所要解決的技術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，本方法工藝簡單，適合工業規模化生產，所制備的高純致密氮化鋁鈦塊體材料具有優異的性能。
本發明解決其技術問題所采用的技術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，在熱壓燒結系統氬氣保護氣氛中進行燒結。
3)燒結步驟為以5～100℃/min的升溫速率升至1200～1400℃，保溫1～8小時，壓力為20～80MPa。
4)燒結完成后，在惰性氣氛保護下，關掉電源，自然冷卻。
本發明的實質是利用一種原位反應制備Ti2AlN陶瓷材料，其基本原理是利用外界加熱和Ti、Al之間反應所放出的大量熱，使系統溫度升高，TiN溶解在TiAl基液體中，放熱反應結束后，系統溫度隨之下降，三元相Ti2AlN析出。反應過程同時進行加壓，使材料致密化，從而得到Ti2AlN塊體材料。
本發明的創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，結構致密，無界面污染。整個制備過程選用的原材料簡單，充分利用了原位反應優點和熱壓燒結工藝的特點，合成溫度低，時間短。本發明簡單可靠、成本低、產率高，適合工業規模化生產。
本發明的產物中Ti2AlN的含量可由內標法測定，其值高達97％，材料致密度由阿基米德法(Archimedes)測定，密度為4.22g/cm3，達到理論密度的97.9％(理論密度為4.31g/cm3)。通過力學性能測試，本發明的材料具有優秀的力學性能。
附圖為原位熱壓工藝燒結Ti2AlN試樣的X射線衍射圖譜。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步說明。
本發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附近只有一個峰。A.T.Procopio[4]認為不正確，應該有兩個峰分別是2θ＝39.911的006峰和2θ＝40.265的103峰。由附圖可知，本發明的結果與此相符，在2θ＝40附近有兩個衍射峰出現。
本發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，在熱壓燒結系統氬氣保護氣氛中進行燒結。
3)燒結步驟為以5～100℃/min的升溫速率升至1200～1400℃，保溫1～8小時，壓力為20～80MPa。
4)燒結完成后，在惰性氣氛保護下，關掉電源，自然冷卻。
實施例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，在熱壓燒結系統，氬氣保護中進行燒結。升溫速度為80℃/min，燒結溫度為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-1195萬能力學實驗機上測得，材料的抗壓強度≥800MPa，三點彎曲強度σb≥500MPa，KIC≥8MPa·m1/2。
實施例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，在熱壓燒結系統，氬氣保護中進行燒結。升溫速度為80℃/min，燒結溫度為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-1195萬能力學實驗機上測得，材料的抗壓強度≥800MPa，三點彎曲強度σb≥500MPa，KIC≥8MPa·m1/2。
實施例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，在熱壓燒結系統，氬氣保護中進行燒結。升溫速度為80℃/min，燒結溫度為1400℃，壓力為20MPa，保溫8小時。塊體材料的致密度為96％，Ti2AlN含量為85％。在INSTRON-1195萬能力學實驗機上測得，材料的抗壓強度≥800MPa，三點彎曲強度σb≥500MPa，KIC≥8MPa·m1/2。
實施例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，在熱壓燒結系統，氬氣保護中進行燒結。升溫速度為80℃/min，燒結溫度為1300℃，壓力為50MPa，保溫4小時。塊體材料的致密度為97％，Ti2AlN含量為93％。在INSTRON-1195萬能力學實驗機上測得，材料的抗壓強度≥800MPa，三點彎曲強度σb≥500MPa，KIC≥8MPa·m1/2。
以上材料的抗壓強度、三點抗彎強度和斷裂韌性的測試在INSTRON-1195萬能材料實驗機上進行。三點抗彎強度測試時，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定，切口在試條長度方向的正中，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[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，在熱壓燒結系統，氬氣氣氛保護中進行燒結，3)燒結步驟為以5～100℃/min的升溫速率升至1200～1400℃，保溫1～8小時，壓力為20～80Mpa，4)燒結完成后，在惰性氣氛保護下，關掉電源，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，在熱壓燒結系統，氬氣氣氛保護中進行燒結，3)燒結步驟為以5～100℃/min的升溫速率升至1200～1400℃，保溫1～8小時，壓力為20～80Mpa，4)燒結完成后，在惰性氣氛保護下，關掉電源，自然冷卻。
3.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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，在熱壓燒結系統，氬氣氣氛保護中進行燒結；以5～100℃/min的升溫速率升至1200～1400℃，保溫1～8小時，壓力為20～80MPa；燒結完成后，在惰性氣氛保護下，關掉電源，自然冷卻。本發明工藝簡單、成本低、產率高，適合工業規模化生產，所制備的產品具有優秀的力學性能。
文檔編號C04B35/622GK1919794SQ20061012451
公開日2007年2月28日 申請日期2006年9月13日 優先權日2006年9月13日
發明者梅炳初, 嚴明, 周衛兵, 朱教群, 田晨光, 王蘋 申請人:武漢理工大學