CN104911385A - 一种以Ti2SnC为前驱体的超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种以Ti₂SnC为前驱体的超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料及其制备方法。该复合材料采用体积含量为3～50％的微米级Ti₂SnC和微米级的Cu为起始原料，反应后生成超细TiC_0.5颗粒均匀分散在Cu(Sn)基体中，而Cu晶粒也被细化为亚微米级。该复合材料的制备方法如下：将Ti₂SnC粉与Cu粉在球磨机上均匀混合后，在120～250MPa的压力下成型，放入高温炉中，氩气保护，将炉温升至1100～1250℃，保温30～60min，冷却后即得到超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料。本发明的制备方法具有工艺简单、操作方便等显著特点；本发明的超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料具有高强、高延展性、耐磨损、抗侵蚀的特点，可广泛应用于军工装备、高速铁路、航空航天等领域，如高强箱壳材料等。

Description

一种以Ti2SnC为前驱体的超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种以Ti₂SnC为前驱体的超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料及其制备方法。

背景技术

具有高屈服强度高延展性、耐磨损、抗侵蚀的铜基材料，因其高的特性和易于加工成型，在军工装备、高速铁路、航空航天等领域有很大的应用，如高强箱壳材料等。然而对于一般铜基材料来说，高强度与高延展性往往不能同时得到。铜具有很好的塑性变形能力，但是其屈服强度较低。一般采用加工硬化和晶界强化等手段，即通过阻碍位错运动和增加位错障碍的密度，来提高强度。近些年，通过陶瓷相颗粒增强Cu基复合材料的手段大大提高了铜材料的强度和硬度。但是，这些方法往往以牺牲铜基体的塑韧性为代价。而采用减小陶瓷颗粒尺寸、细化Cu基体和原位生成陶瓷颗粒增强相而获得与金属材料的强界面结合的方法是对改善颗粒增强Cu基复合材料塑韧性比较有效的方法。

Ti₂SnC是一种新型的三元碳化物陶瓷，它同时含有共价键和金属键，集成了陶瓷和金属的优点，如高的机械强度、优异的抗热震性、良好的导电性和易加工性等。Ti₂SnC属于分层的六方晶体结构，其近乎密排的各个Ti层与Sn原子层交叉，C原子填充Ti层之间的八面体位置，Sn原子位于具有较大空间的三方柱的中心，Ti₆C八面体棱边共享。在它们的结构中，Ti原子与C原子之间的结合(即纳米尺度TiC_0.5基团)为强共价键，而Ti原子与Sn原子之间为弱结合，类似于层状石墨，层间由范德华力结合。由于这个原因，垂直于c轴的层与层之间在外力的作用下容易发生滑动，Sn原子更容易从其所在位置逃逸。这些特有的纳米层状晶体结构、高温分解和外力溶解行为，使我们想到，可以采用Ti₂SnC陶瓷作为先驱体加入Cu熔体中，由于Cu与Ti₂SnC中的Sn有强固溶结合力，能将Sn原子溶出，得到纳米TiC_0.5基团，并且TiC_0.5与Cu有很好的润湿性，能作为Cu合金的形核剂或细化剂。这样纳米TiC_0.5基团，既可作为形核剂细化Cu基体晶粒，又能作为有效的纳米增强体增强Cu基复合材料，这样制备的复合材料将同时具有高强度和高延展性。而目前这方面的工作还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以Ti₂SnC为前驱体的超细陶瓷颗粒细化Cu基复合材料及其制备方法。

本发明的技术方案：

1.本发明以Ti₂SnC为前驱体的超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料，其特征在于：初始原料为微米级的Ti₂SnC其体积含量为3～50％，其余为微米级的Cu；最终产物为亚微米级或纳米级TiC_0.5颗粒均匀分散在Cu(Sn)基体中，而Cu晶粒也被细化为亚微米级水平；

2.一种以Ti₂SnC为前驱体的超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1，配料：将Ti₂SnC粉和Cu粉按以下比例配料：

Ti₂SnC＝3～50vol.％，

Cu＝97～50vol.％；

其中Ti₂SnC粉的粒度为5～10μm，Cu粉的粒度为50～70μm；

步骤2，混料：每100克上述配料中加入200～400克的玛瑙球，球磨2～4小时；

步骤3，预压成型：将一定质量的混合粉料装入钢模具中，并施加120～250MPa的压强，使模具中的粉料压实成型；

步骤4，烧结：将成型后的块体放入高温炉中，在氩气保护下，按10～30℃/min的升温速率，将炉温升至1100～1250℃，保温30～60min，然后以10～30℃/min的速率降温，冷却后，即得到超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料。

本发明所具有的有益效果：

本发明以Ti₂SnC为前驱体的超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料，其产物为亚微米级或纳米级TiC_0.5颗粒均匀分散在Cu(Sn)基体中，而Cu晶粒也被细化为亚微米级水平，其复合材料同时具有高强、高延展性和耐磨耐腐蚀的特点。本发明制备的超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料，其强度和耐磨性随初始Ti₂SnC含量的增加而增加，延展性随初始Ti₂SnC含量的增加而降低；对于本发明的复合材料的应用，可根据实际使用要求选取适当的Ti₂SnC与Cu的原料配比；本发明的制备方法具有工艺简单、操作方便、成本低等显著特点。

本发明的以Ti₂SnC为前驱体的超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料具有高强高延展、耐磨损、抗侵蚀等特点，可广泛应用于军工装备、高速铁路、航空航天等领域，如高强箱壳材料等。

附图说明

图1是本发明的以Ti₂SnC为前驱体的超细陶瓷颗粒TiC_0.5增强Cu基复合材料的扫描电镜照片，图2是将陶瓷颗粒腐蚀后露出的超细Cu晶粒基体的扫描电镜照片。

具体实施方式

实施方式一

称取纯度为98.5％、粒度为5μm的Ti₂SnC粉2.2克、纯度为99.8％、粒度为50μm的Cu粉97.8克，混合后加入200克玛瑙球，球磨混料2小时，将混合粉料装入Φ50的钢模具中，并施加120MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将上述块体放入高温炉中，在氩气保护下，按10℃/min的升温速率，将炉温升至1100℃，保温30min，然后以10℃/min的速率降温，冷却后，即得到超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料。

测得上述复合材料其TiC_0.5颗粒约为200～300nm，Cu晶粒约为0.8～1μm，复合材料的屈服强度为100MPa，压缩强度为295MPa，延伸率为53％。

实施方式二

称取纯度为98.5％、粒度为10μm的Ti₂SnC粉7.33克、纯度为99.8％、粒度为70μm的Cu粉92.67克，混合后加入400克玛瑙球，球磨混料2小时，将混合粉料装入Φ76的钢模具中，并施加250MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将上述块体放入高温炉中，在氩气保护下，按20℃/min的升温速率，将炉温升至1150℃，保温45min，然后以30℃/min的速率降温，冷却后，即得到超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料。

测得上述复合材料其TiC_0.5颗粒约为150～200nm，Cu晶粒约为0.3～0.5μm，复合材料的屈服强度为225MPa，压缩强度为562MPa，延伸率为46％。

实施方式三

称取纯度为98.5％、粒度为7μm的Ti₂SnC粉15.12克、纯度为99.8％、粒度为60μm的Cu粉84.88克，混合后加入300克玛瑙球，球磨混料4小时，将混合粉料装入Φ50的钢模具中，并施加200MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将上述块体放入高温炉中，在氩气保护下，按30℃/min的升温速率，将炉温升至1170℃，保温60min，然后以20℃/min的速率降温，冷却后，即得到超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料。

测得上述复合材料其TiC_0.5颗粒约为60～80nm，Cu晶粒约为0.1～0.2μm，复合材料的屈服强度为335MPa，压缩强度为870MPa，延伸率为38％。

实施方式四

称取纯度为98.5％、粒度为7μm的Ti₂SnC粉23.39克、纯度为99.8％、粒度为50μm的Cu粉76.61克，混合后加入300克玛瑙球，球磨混料4小时，将混合粉料装入Φ50的钢模具中，并施加200MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将上述块体放入高温炉中，在氩气保护下，按20℃/min的升温速率，将炉温升至1200℃，保温40min，然后以20℃/min的速率降温，冷却后，即得到超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料。

测得上述复合材料其TiC_0.5颗粒约为80～100nm，Cu晶粒约为0.2～0.3μm，复合材料的屈服强度为483MPa，压缩强度为1162MPa，延伸率为29％。

实施方式五

称取纯度为98.5％、粒度为7μm的Ti₂SnC粉41.6克、纯度为99.8％、粒度为50μm的Cu粉58.4克，混合后加入400克玛瑙球，球磨混料4小时，将混合粉料装入Φ76的钢模具中，并施加250MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将上述块体放入高温炉中，在氩气保护下，按15℃/min的升温速率，将炉温升至1250℃，保温30min，然后以10℃/min的速率降温，冷却后，即得到超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料。

测得上述复合材料其TiC_0.5颗粒约为150～200nm，Cu晶粒约为0.5～0.7μm，复合材料的屈服强度为662MPa，压缩强度为1080MPa，延伸率为10.2％。

Claims (2)

1.一种以Ti₂SnC为前驱体的超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料，其特征在于：初始原料为微米级的Ti₂SnC其体积含量为3～50％，其余为微米级的Cu；最终产物为亚微米级或纳米级的TiC_0.5颗粒均匀分散在Cu(Sn)基体中，而Cu晶粒也被细化为亚微米级水平。

2.一种以Ti₂SnC为前驱体的超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1，配料：将Ti₂SnC粉和Cu粉按以下比例配料：

Ti₂SnC＝3～50vol.％，

Cu＝97～50vol.％；

其中Ti₂SnC粉的粒度为5～10μm，Cu粉的粒度为50～70μm；

步骤2，混料：每100克上述配料中加入200～400克的玛瑙球，球磨2～4小时；

步骤3，预压成型：将一定质量的混合粉料装入钢模具中，并施加120～250MPa的压强，使模具中的粉料压实成型；

步骤4，烧结：将成型后的块体放入高温炉中，在氩气保护下，按10～30℃/min的升温速率，将炉温升至1100～1250℃，保温30～60min，然后以10～30℃/min的速率降温，冷却后，即得到超细陶瓷颗粒超细化Cu基复合材料。