放电等离子烧结工艺制备Ti_2AlC材料的研究

·科学实验·

文章编号:1005-0639(2004)02-0007-04

放电等离子烧结工艺制备Ti 2AlC 材料的研究

周卫兵,梅炳初,朱教群,洪小林

(武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,武汉　430070)

摘要:以元素粉钛、铝、碳为原料,采用放电等离子烧结工艺在1100℃的温度下成功地制备了高纯、致密Ti 2AlC 材料。合成材料的X -射线衍射(XRD )和扫描电镜(SE M )分析的结果表明:多晶体Ti 2AlC 形貌为板状结晶,晶粒大小平均约为20μm ,厚度在3～5μm 。

关键词:放电等离子烧结;制备;Ti 2AlC

中图分类号:TB286　文献标识码A

收稿日期:2004-01-11

基金项目:国家自然科学基金(50172037),教育部博士点基金(2000049702)

新型层状陶瓷材料Ti 2AlC 以其优异性能成为近年来国内外众多材料学者研究的热点

[1～8]

。

在常温下,它具有金属的性能,有很好的导热性能和导电性能,有较低的Vickers 硬度,像金属一样可进行机械加工,同时又具有陶瓷的性能,高熔点,高热稳定性和良好的抗氧化性能。但在Ti -Al -C 三元相图中[9],高温下单一Ti 2AlC 相区狭窄,使得制备高纯、致密Ti 2AlC 块体材料非常困难,传统制备方法[2～5]所合成的材料工艺复杂,条件苛刻,成本太高,且合成的产物中很容易含有TiC 或钛铝金属间化合物等杂质相。

从目前的研究现状来看,如果想获得纯净致密的块体Ti 2AlC 材料,解决杂质相存在的问题,则必须在制备工艺方面获得突破性进展。放电等离子烧结是最近几年从日本发展起来的材料制备新技术

[10]

。其主要特点是通过瞬时产生的放电

等离子使粉末颗粒均匀发热和表面活化,与材料的传统烧结方法(真空或气氛烧结、热压烧结、热等静压烧结等)相比,其主要优点表现在:(1)可大大缩短烧结时间和降低烧结温度;(2)制备的材料晶粒细小,性能优异。本研究以Ti /Al /C 元素粉为原料,利用这一新型的烧结技术超快速制备致密、高纯Ti 2AlC 材料。

1　实验方法

研究中所用原料的特征是:Ti 粉(99.0%,

10.6μm )、Al 粉(99.8%,12.8μm )、C 粉(99.0%,13.2μm )。其中C 粉为商品活性碳。按设定的配

合比例进行称量后,在塑料混料瓶中混合24h ,再放入直径为20mm 的石墨模具中,在日本Sumitomo 公司的SPS -1050型装置上进行烧结,采用红外温度计测温。工艺制度是:升温速率为80℃/min ,在设定合成温度下保温8min ,然后在3min 内冷却至600℃以下,Z 轴压力为30MPa 。每隔30s 记录一次各项参数,包括电压、电流、烧结温度、Z 轴位移、真空室气压Pa 和Z 轴施加的压力。

合成的样品分别用Archimedes 法测定密度,采用转靶X -射线衍射仪分析材料的相组成,用扫描电镜(SE M )结合能谱仪(EDS )观察矿物形貌和颗粒尺寸。

2　结果与讨论

2.1　配比对相组成的影响

图1为原料配比为n (Ti )∶n (Al )∶n (C )=2∶1∶1在不同温度下烧结试样的X -射线衍射谱。试样(a )的主晶相为Ti 2AlC 和TiC ,在其X -射线衍射谱上还存在一个属于TiAl 的衍射峰。试样(b )主晶相仍为Ti 2AlC 和TiC ,TiC 的峰强明显高于(a )样,说明其含量更高。而试样(c )中的主晶相已变为TiC 。Ti 2AlC 的峰强已降低很多,说明在1300℃,对合成Ti 2AlC 极为不利,所合成的Ti 2AlC

第27卷　第2期2004年4月山东陶瓷

SHANDONG CER AMICS Vol .27　No .2Apr .2004

图1　在1100～1300℃不同温度下

烧结试样的X-射线衍射谱

在1300℃以上温度开始分解,分解反应方程为: Ti2AlC※TiC+Al,分解过程生成大量的TiC,同时由于高温下Al的挥发导致材料的孔隙率增加, Pietzka[9]的研究表明,Ti2AlC的稳定性在1625±10℃,而本研究中用SPS制备的Ti2AlC试样的热稳定性大幅降低,Ti2AlC在1300℃时,已开始大量的分解,样品中形成大量的TiC。研究者认为,其可能的原因是,在放电等离子烧结工艺中,在放电的瞬间,可使试样的局部区域产生很高的温度,该温度要远高于经红外测温仪所测得的温度。另一方面,放电过程中,颗粒的相交处引发等离子体,使试样中部分成分汽化,导致Ti2AlC的分解,铝挥发而在样品中形成大量的TiC。

文献[4]研究结果表明,所合成材料的纯度与原始配合比中低熔点元素的挥发密切相关,本研究考虑到Al的熔点较低,高温容易挥发,因此在原料配比中特意增加Al的量以补偿Al在高温时的挥发。

图2为原料配比为n(Ti)∶n(Al)∶n(C)=2∶(1 +x)∶1,x分别等于0、0.1、0.2、0.3在1100℃温度下烧结后所得产品的X-射线衍射谱。当x=0时,即Al掺加按Ti2AlC的化学计量配入,试样(a)的主晶相为Ti2AlC和TiC,在其X-射线衍射谱上只是存在一个属于TiC的衍射峰。当x=0.1时和0.2时,即在原始组成中比Ti2AlC的化学计量多配入10%和20%的铝。试样(b)、(c)试样的X 射线衍射谱上只存在Ti2AlC相应的衍射峰,且衍射峰的强度随Al掺量的增加而增强。当Al掺量

增加至x=0.3时,试样(d)中的主晶相为

图2　不同原料配比在1100℃烧结

试样的X-射线衍射图谱

(a)900℃(b)1000℃(c)1100℃(d)1200℃(e)1300℃

图3　不同温度下烧结试样的X射线衍射谱

Ti2AlC,并出现TiC及TiAl的特征峰,同时,这说明过量的Al的挥发量是有一定的范围,过量的Al 不利于Ti2AlC的生成。

2.2　烧结温度的影响

图3为起始成分按化学计量n(Ti)∶n(Al)∶n (c)=2∶1.2∶1在900～1300℃的X-射线图谱。

(a)样为900℃烧结后的试样,其主品相为Ti2AlC 和TiAl及TiC。反映Ti2AlC在该温度下已开始形成(图谱上在2θ=13°处出现一个Ti2AlC所独有的衍射峰);(b)样为1000℃烧结后的试样,其对应衍射图谱与900℃烧结试样的几近相同。(c)为1100℃烧结后试样,其主晶相为Ti2AlC,未出现其他相的衍射峰。说明,在1000℃～1100℃温度区间内,Ti2AlC大量生成,采用该原料组成在1100℃放电等离子烧结8min能得到单相Ti2AlC。(d)样为1200℃烧结后试样,其主晶相为Ti3AlC2特征衍射峰依然存在,但强度很弱。(e)样为1300℃时的

8山东陶瓷第27卷