[发明专利]氮化钛－二硼化钛－硅化钛复相材料及原位反应制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化钛-二硼化钛-硅化钛复相材料及原位反应制备方法，更确切地说，涉及一种以Ti₅Si₃(或者TiSi₂)金属间化合物作为粘结剂的TiN-TiB₂-Ti₅Si₃(或者TiSi₂)结构陶瓷复相材料及其原位反应制备方法。

背景技术

TiN、TiB₂以及TiC都具有高的熔点、硬度以及良好的电导率等，因而被用作耐高温耐磨损材料、表面装饰材料、熔盐电解电极以及电触头等。TiN-TiB₂或者Ti(C，N)-TiB₂复相材料具有比单相材料更优越的综合性能，可以用作切割刀具材料以及耐磨部件等。比如文献1(Journal of the AmericanCeramic Society，70：103(1987))中K.Shobu等采用热压法制备出了TiN-30wt％TiB₂复相材料，剪切强度达到了700MPa，硬度为18GPa，断裂韧性达到了3MPa·m^1/2。但是阻碍其进一步发展应用的是烧结温度高、韧性低、制造成本高等问题。为了进一步降低烧结温度，提高材料韧性，材料科学家采用金属(如Co、Ni、Fe等)作为粘结剂来降低TiN-TiB₂的烧结温度，提高材料的韧性。比如文献2(Journal of the American Ceramic Society，78：2331(1995))中张国军等采用Ni作为粘结剂，1600℃反应热压制备出了TiN-TiB₂复相材料。研究结果发现Ni添加量小于1wt％时明显提高了TiN-TiB₂材料的烧结性能，获得材料的最高韧性达到了6.20±0.21MPa·m^1/2。关于金属陶瓷材料以及制备方法的专利也有很多，如中国专利ZL02139790.2、ZL03132641.2、美国专利US10/679,379、欧洲专利EP1422305A2以及日本专利JP2004169187A等。

然而，人们在过去的几十年理论及实际应用研究中发现，使用金属粘结剂烧结陶瓷材料存在一些根本性的缺点。一是会降低材料的硬度，二是降低材料的抗氧化性能，三是在作为刀具切割金属时，粘结剂金属容易跟被切割金属反应。而在作为刀具材料以及高温结构材料应用中，这些性能(硬度、抗氧化性能以及与被切割金属之间的反应惰性)恰恰是比较关键的。金属间化合物有着介于陶瓷和金属之间的力学性能，并有着比金属更强的高温抗氧化性。所以金属间化合物被认为是可能替代传统金属粘结剂的材料。其中Ti-Si成分如TiSi₂或Ti₅Si₃吸引了很多注意力。如Ti₅Si₃具有密度低(4.32g/cm³)、熔点高(2130℃)、弹性模量高(160GPa)、常温及高温硬度高、耐蚀性好及高温抗氧化性能优异等特点，早在50多年前就已引起人们的重视。其高硬度、高弹性模量及其共价键占主导地位的原子间强键结合性质使其表现出优异的耐磨料磨损及耐粘着磨损性能。更重要的是，人们推测Ti-Si化合物能够成为TiN-TiB₂体系合适的粘结剂，因为他们的熔点相对TiN以及TiB₂还是低的多，而且脆韧转变温度(Ti₅Si₃的脆性转变温度为1000℃，而TiSi₂的更低，为805℃)以上会发生类似金属的塑性变形。在以往的研究工作中，Ti₅Si₃(或者TiSi₂)被添加到TiN涂层中提高TiN涂层的抗氧化性能，如文献3(Thin Solid Films，315：336(1998))以及文献4(Surface and CoatingTechnology，133-134：336(1998))等。另外，文献5(Intermetallics，15：206(2007))中Kim等人采用高能球磨方法制备了TiN/TiB₂/Ti-Silicide(Ti₅Si₃或者TiSi₂)纳米复相粉末，发现粉末具有很好的热稳定性。但作为粘结剂烧结结构陶瓷块体材料方面的研究工作及专利还未见相关报导。本发明试图用Ti₅Si₃(或者TiSi₂)这种金属间化合物作为TiN-TiB₂体系复相陶瓷的粘结剂而替代传统的金属粘结剂，从而达到提高其综合力学性能以及高温抗氧化性的目的。