一種原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料制備方法，其采用粉末冶金造孔劑技術(shù)，使用尿素、碳粉和鈦粉通過配料混合、壓制成型和燒結(jié)處理步驟來制備多孔鈦基復(fù)合材料，使用尿素作為造孔劑，采用無水乙醇作為粘結(jié)劑，使得所得鈦基多孔材料成分容易控制，同時也有原料成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，并且采用兩段式燒結(jié)過程，來減少能源的消耗，降低制備成本，增加效益；此外，本發(fā)明方法還通過原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料制備方法制備出的多孔鈦基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度，綜合力學(xué)性能優(yōu)的多孔鈦基復(fù)合材料，使其具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能，延長了多孔鈦基復(fù)合材料的耐用時間，為污水凈化，生物植入材料等提供了一種新的技術(shù)途徑，具有非常好的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及泡沫金屬材料【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔 材料的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 材料的多孔化，賦予多孔材料嶄新的優(yōu)異性能，使其具備致密材料無法比擬的用 途，從而擴(kuò)寬了泡沫材料的研究領(lǐng)域和應(yīng)用范圍。而多孔鈦基復(fù)合材料(簡稱TMC)是以金屬 鈦?zhàn)鳛榛w，加入某種第二相材料作為增強(qiáng)體，構(gòu)成的復(fù)合材料。相比于傳統(tǒng)鈦合金，鈦基 復(fù)合材料在比強(qiáng)度和比模量可以進(jìn)一步提高，優(yōu)異的抗蠕變和抗疲勞性能，以及優(yōu)良的高 溫性能和耐腐蝕性能。鈦基復(fù)合材料在原合金的基礎(chǔ)上提高耐磨性和耐熱性，提高彈性模 量，擴(kuò)大了其的應(yīng)用范圍；同時，也可以加工成形狀復(fù)雜的零部件，易于成形和加工；鈦基 復(fù)合材料耐高溫，耐侵蝕，可在更復(fù)雜的條件下作為結(jié)構(gòu)材料，制備加工容易，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良。 鈦基復(fù)合材料應(yīng)用前景十分廣闊，是一種改善傳統(tǒng)鈦材性能、擴(kuò)展鈦材應(yīng)用領(lǐng)域的新途徑。
[0003] 在復(fù)合材料的制備過程中，保證增強(qiáng)體與基體之間良好的相容性是一個重要的條 件。在相容性差的體系中，即使材料可以制備出，使用過程中，也會發(fā)生基體與增強(qiáng)體會分 離脫落，從而導(dǎo)致整個復(fù)合材料破壞失效。而TiC顆粒與鈦密度接近（TiC密度為4. 94g/ cm3,而Ti的密度為4. 51g/cm3)，彈性模量工業(yè)純鈦為llOGPa，而TiC的彈性模量為430GPa ; 熱膨脹系數(shù)Ti為8. 2X10_6/K，TiC的熱膨脹系數(shù)為7. 4Χ10_6/Κ，低的熱膨脹系數(shù)使其具有 良好的抗熱疲勞性能，泊松比相同，親和性好，且在鈦基體中具有較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn) 定性，所以碳化鈦?zhàn)鳛樵鰪?qiáng)體在鈦基體復(fù)合材料中應(yīng)用對提高多孔鈦基材料的強(qiáng)度具有重 要意義。
[0004] Nukami等在差熱分析實(shí)驗(yàn)表明，Ti和C之間的自蔓延高溫合成反應(yīng)在溫度達(dá)到 1500K之前就已進(jìn)行，其增強(qiáng)體的長大機(jī)理包括兩個方面：（1)擴(kuò)散機(jī)制，（2)溶解-析出機(jī) 制。Tong等人對此進(jìn)行了熱力學(xué)和動力學(xué)計算，結(jié)果表明，當(dāng)溫度低于1554K時，TiC長大 機(jī)理以擴(kuò)散機(jī)制為主，而溫度高于1554K時，以溶解-析出機(jī)制為主。Nukami和Tong在理 論上都取得了很大的突破，而在制備條件和制備方法上較為復(fù)雜。周等人采用粉末冶金熱 壓法，通過鈦粉與石墨、B 4C和稀土硼化物L(fēng)aB6粉末的化學(xué)反應(yīng)，原位合成了 TiB、TiC和稀 土氧化物L(fēng)a203多元增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料。肖等通過熔煉法制備了 TiB和Nd203增強(qiáng)的鈦基 復(fù)合材料，其中Nd20 3的形貌比較復(fù)雜，有細(xì)小片狀、板條狀及球狀。周和肖等人在復(fù)合材料 的制備過程中都摻雜了稀土氧化物，工藝較為復(fù)雜，能耗高，成本昂貴，且成份不易控制。
[0005] 上述這些關(guān)于鈦基多孔復(fù)合材料的研究，在制備工藝上都較為復(fù)雜，并且都只在 實(shí)體鈦基復(fù)合材料上做了研究。而在鈦基多孔復(fù)合材料的制備及其性能方面，現(xiàn)有的相關(guān) 文獻(xiàn)資料很少，也缺乏系統(tǒng)的研究，特別是缺乏對其動態(tài)的力學(xué)性能和特性的研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種原位合成碳化鈦增 強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)的多孔鈦制備工藝所得的鈦基多孔材料抗 腐蝕性差、材料性能惡化、較耐用時間短、工藝復(fù)雜、能耗高、成份難控的問題。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)手段： 一種原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方法，包括如下步驟： (1) 稱取廣2. 5重量份的碳粉和97. 5~99重量份的鈦粉，構(gòu)成總重為100重量份的混合 粉末，并外加與該1〇〇重量份混合粉末相同體積的尿素，在研體內(nèi)混合，且在混合過程中按 每千克碳粉、鈦粉和尿素的混合物外配5~10ml無水乙醇的比例加入無水乙醇；其中，尿素 的粒度為1. 〇(Tl. 18mm，鈦粉的粒度為30(Γ400目，碳粉粒度為40(Γ500目； (2) 用鋼制模具將前一步所得的混合料靜壓成型，單向壓制壓力為20(T250MPa，保壓時 間為fl.5min，脫模得到生坯； (3) 將生坯放入真空碳管爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程分為低溫真空燒結(jié)和高溫真空燒結(jié) 兩步進(jìn)行；低溫真空燒結(jié)過程中，控制真空碳管爐內(nèi)真空度為1X 1〇_^1 X l〇_3Pa，控制升溫 速率為2?5°C /min從室溫升溫至400°C進(jìn)行燒結(jié)，在400°C時保溫f 1. 5h ;然后進(jìn)入高溫真 空燒結(jié)過程，溫度升高到1260°C，在真空度為lXKr^lXK^Pa環(huán)境下保護(hù)燒結(jié)2~3h ;燒 結(jié)完成后，隨爐冷卻到室溫后取出得到多孔鈦基復(fù)合材料。
[0008] 作為上述原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述步 驟（1)中，碳粉和鈦粉的重量分?jǐn)?shù)比優(yōu)選為2 :98。
[0009] 作為上述原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述步 驟（1)中，碳粉的純度達(dá)99. 99%。
[0010] 作為上述原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述步 驟（1)中，所述尿素采用球形顆粒尿素。
[0011] 作為上述原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述步 驟（3)中，在真空度為lXKT^lXK^Pa環(huán)境下保護(hù)燒結(jié)的時間為2.5h。
[0012] 相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果： 1、本發(fā)明原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方法，采用粉末冶金造孔劑技術(shù)來 制備多孔鈦基復(fù)合材料，通過碳粉與鈦粉在高溫環(huán)境下原位合成增強(qiáng)體碳化鈦顆粒均勻分 布在多孔鈦基材料中，制備出的材料具有較高的強(qiáng)度，且質(zhì)量輕，形成了特殊的多孔，能夠 很好的應(yīng)用于環(huán)境污水的過濾，生物植入材料等，為制備高強(qiáng)度多孔鈦基復(fù)合材料提供了 一種新的技術(shù)途徑，具有非常好的應(yīng)用前景。
[0013] 2、本發(fā)明的鈦基多孔材料制備方法，在混料過程中，由于鈦粉和尿素存在密度差 和粒度差，所以加入了少許無水乙醇，有利于混料的均勻性，從而使得多孔鈦基復(fù)合材料的 孔隙結(jié)構(gòu)更加均勻，對所得多孔鈦基復(fù)合材料的性能有很大的改善。
[0014] 3、本發(fā)明的鈦基多孔材料制備方法，使用尿素作為造孔劑，采用無水乙醇作為粘 結(jié)劑，經(jīng)高溫容易脫除，并且尿素的脫除過程不會引入其它雜質(zhì)，使得所得鈦基多孔材料成 分容易控制，且尿素和無水乙醇的脫除不會產(chǎn)生污染環(huán)境的物質(zhì)，同時也有原料成本低廉 的優(yōu)點(diǎn)。
[0015] 4、本發(fā)明的鈦基多孔材料制備方法，采用了兩段式燒結(jié)過程；在低溫真空燒結(jié)階 段真空脫出，高溫真空燒結(jié)階段對基體材料的燒結(jié)，其優(yōu)點(diǎn)在于，低溫真空燒結(jié)階段將尿素 分解的氣體迅速抽出爐體，避免爐內(nèi)氣體對試樣的污染，縮短了尿素的脫除時間，減少了能 源的消耗，降低了制備成本；同時，高溫真空燒結(jié)階段采用真空度為1X Hr1、X io_3Pa環(huán)境 下保護(hù)燒結(jié)，保證了爐體內(nèi)燒結(jié)試樣不被氧化。
[0016] 5、本發(fā)明鈦基多孔材料制備方法的高溫真空燒結(jié)過程中，在1260°C的溫度下，碳 與鈦進(jìn)行原位合成形成碳化鈦增強(qiáng)體，從而使復(fù)合材料的力學(xué)性能有了一定的提高，尤其 是高溫性能有了較大的提高；同時，由于彌散顆粒的存在，成為基體鈦合金凝固是異質(zhì)形核 的核心，促進(jìn)了形核細(xì)化了基體合金的粒度，也有利于提高多孔鈦基復(fù)合材料的綜合力學(xué) 性能，使其具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能；并且碳粉的添加還起到了潤滑效果的作用，使材料致密 化，從而提高了多孔鈦基復(fù)合材料強(qiáng)度，延長了多孔鈦基復(fù)合材料的耐用時間。
[0017] 6、本發(fā)明的鈦基多孔材料制備方法，只需要利用電子稱、研體、鋼質(zhì)磨具、壓制機(jī)、 真空碳管爐等設(shè)備便能夠?qū)嵤?，設(shè)備簡單，操作方便，易于實(shí)現(xiàn)，有利于大規(guī)模的工業(yè)推廣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料制備方法的工藝流程圖。
[0019] 圖2為鈦粉的宏觀形貌掃描電鏡圖。
[0020] 圖3為球形顆粒尿素的宏觀形貌掃描電鏡圖。
[0021] 圖4為尿素顆粒的熱分析曲線。
[0022] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中壓制所得生坯在燒結(jié)過程中的溫度控制曲線。
[0023] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中所得多孔鈦基復(fù)合材料的形貌圖。
[0024] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例1中所得多孔鈦基復(fù)合材料的孔壁微觀形貌圖。
[0025] 圖8為采用本發(fā)明方法燒結(jié)所得多孔鈦基復(fù)合材料的XRD圖。
[0026] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例1所得材料的抗壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0028] 實(shí)施例1 : 本實(shí)施例提供了一種原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料制備方法，其流程參照圖1所 示，主要步驟包括如下： (1)配料： 稱取2重量份的碳粉和98重量份的鈦粉，構(gòu)成總重為100重量份的混合粉末，并外 加與該100重量份混合粉末相同體積的尿素，在研體內(nèi)混合，且在混合過程中按每千克碳 粉、鈦粉和尿素的混合物外配5~10ml無水乙醇的比例加入無水乙醇；無水乙醇的加入有 利于尿素、鈦粉和碳粉粉末的均勻混合，從而改變燒結(jié)體多孔鈦基復(fù)合材料的孔隙結(jié)構(gòu)，但 如果外加的無水乙醇過多，同樣也不利于尿素、鈦粉和碳粉的混勻；原料中，碳粉最好采用 高純度超細(xì)碳粉，其純度達(dá)99. 99%，其粒度為40(Γ500目，作為造孔劑的尿素粒度最好為 1.0(Tl. 18mm，鈦粉粒度最好為30(Γ400目?；靹蚝笏玫幕旌狭显诿芊獯鼉?nèi)備用。控制尿 素粒度為1.00~1. 18mm、鈦粉粒度為30(Γ400目，對于尿素粒度范圍的選取,是由于在泡沫 材料中孔隙特征對材料性能有著決定性的影響，而鈦粉的粒度選取，鈦?zhàn)鳛椴牧匣w，其粒 度大小對粉末壓樣過程中的流動性有很大的影響，同樣對在燒結(jié)過程中顆粒成型的界面能 和晶界能產(chǎn)生影響，經(jīng)試驗(yàn)檢測，此粒度范圍為最佳范圍。鈦粉自身為不規(guī)則顆粒狀，其形 貌如圖2所示；而該步驟中所用的尿素最好采用球形顆粒尿素，其形貌如圖3所示，采用球 形顆粒尿素的優(yōu)點(diǎn)在于，在壓樣過程中，球形顆粒尿素有利于生坯的致密化，避免壓樣過程 中出現(xiàn)的拱橋效應(yīng)和孔洞集中的現(xiàn)象。
[0029] (2)壓制成型： 用鋼制模具將前一步所得的混合料壓制成型，壓制壓力為20(T250MPa，保壓時間為 1~1. 5min，脫模得到生坯。保壓以有利于壓力的有效傳遞，使的生坯更加致密化，增加生坯 的強(qiáng)度，避免顆粒間拱橋效應(yīng)的產(chǎn)生。
[0030] (3)燒結(jié)： 將生坯放入真空碳管爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程分為低溫真空燒結(jié)和高溫固態(tài)燒結(jié)兩步 進(jìn)行。低溫真空燒結(jié)過程中，控制真空碳管爐內(nèi)真空度為IX lO^lXK^Pa，控制升溫速率 為2?5°C/min從室溫升溫至400°C進(jìn)行燒結(jié)，在400°C時保溫1?1. 5h。由圖4所示的尿素差 熱分析曲線可知，當(dāng)溫度上升到400°C時，尿素基本分解完畢，而在低溫真空燒結(jié)階段，從室 溫升溫至400°C的過程中，升溫速率最好較慢，控制升溫速率在2~5°C /min為最佳，以避免 尿素分解過快生坯膨脹而導(dǎo)致坍塌；本實(shí)施例中，在此基礎(chǔ)上確定的升溫曲線如圖5所示。 在低溫真空燒結(jié)過程中，控制真空碳管爐內(nèi)真空度為lXKT^lXK^Pa，目的為了使得造 孔劑分解的氣體迅速抽到爐體外，而不污染試樣，在400°C時保溫1~1. 5h，目的是確保尿素 完全脫出。然后進(jìn)入高溫固態(tài)燒結(jié)過程，溫度升高到1260°C，在真空度為lXKT^lXK^Pa 環(huán)境下保護(hù)燒結(jié)2. 5h。燒結(jié)完成后，隨爐冷卻到室溫后取出得到多孔鈦基復(fù)合材料。該燒結(jié) 步驟中，采用兩段式燒結(jié)過程的目的在于，低溫真空燒結(jié)階段將尿素分解的氣體迅速抽出 爐體，避免爐內(nèi)氣體對試樣的污染，縮短了尿素的脫除時間，減少了能源的消耗，降低了制 備成本，并且尿素的脫除過程不會引入其它雜質(zhì)，使得所得鈦基多孔材料成分容易控制；同 時，高溫真空燒結(jié)階段采用高真空度為1 X ΚΓ^Ι X l(T3Pa來制備多孔鈦基復(fù)合材料，提高 了升溫速率，同時縮短了燒結(jié)時間，一方面迅速抽出尿素分解的氣體，避免對式樣的污染， 另一方面保護(hù)了真空碳管爐內(nèi)的發(fā)熱體，延長設(shè)備壽命，具有降低成本、增加效益的作用。 并且在高溫真空燒結(jié)過程中，在1260°C的溫度下，碳與鈦進(jìn)行原位合成形成碳化鈦增強(qiáng)體， 由于生成的TiC細(xì)小顆粒彌散分布在基體里面，對位錯遷移起阻礙作用，同時TiC增強(qiáng)相使 基體加工硬化率提高也能引起的材料強(qiáng)化，當(dāng)有小剛性粒子分布之后，只要有小的應(yīng)變，就 在小粒子周圍產(chǎn)生大量的附加位錯，從而使復(fù)合材料的力學(xué)性能有了一定的提高，尤其是 高溫性能有了較大的提高，同時，由于彌散顆粒的存在，成為基體鈦合金凝固是異質(zhì)形核的 核心，促進(jìn)了形核細(xì)化了基體合金的粒度，也有利于提高多孔鈦基復(fù)合材料的綜合力學(xué)性 能，使其具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能。
[0031] 燒結(jié)所得的多孔鈦基復(fù)合材料形貌如圖6所示，具有較規(guī)整的形貌，無坍塌，保證 了試樣的完整性。多孔鈦基復(fù)合材料的孔壁微觀形貌如圖7所示，孔壁致密化，且較為光 滑，說明碳粉的添加，碳粉不僅在原位合成碳化鈦增強(qiáng)體中扮演者不可替代的角色，并且起 到了潤滑效果的作用，使材料致密化，從而提高了多孔鈦基復(fù)合材料強(qiáng)度，因?yàn)樘挤凼且环N 可以降低顆粒與顆粒、顆粒與模壁以及模沖之間的摩擦、改善密度分布，進(jìn)而延長了多孔鈦 基復(fù)合材料的耐用時間。圖8所示的XRD圖譜說明，本發(fā)明方法制備的多孔鈦基復(fù)合材料， 經(jīng)熱處理后，成品中有碳化鈦物相的生成，表明在此條件下，通過原位合成碳化鈦的方法是 可行的。
[0032] 本實(shí)施例制備的碳含量為2重量份的多孔鈦基復(fù)合材料，圖9表明碳含量為 2%重量份的多孔鈦基復(fù)合材料的抗壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由圖9可知，其初始屈服應(yīng)力 〇 =339. 86。在開始壓縮階段，材料變形類似為線彈性階段；當(dāng)外力繼續(xù)增加時，進(jìn)入塑性階 段，部分孔壁開始坍塌，應(yīng)力保持在一個相對水平，孔洞繼續(xù)坍塌，破碎孔壁之間相互接觸， 孔壁本身也受到壓縮，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇上升，進(jìn)入致密化階段。
[0033] 實(shí)施例2 : 本實(shí)施例一種原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料制備方法，其參照工藝流程圖2,主要 步驟包括如下： (1)稱取1重量份的碳粉和99重量份的鈦粉，構(gòu)成總重為100重量份的混合粉末，并 外加與該100重量份混合粉末相同體積的尿素，在研體內(nèi)混合，且在混合過程中按每千克 碳粉、鈦粉和尿素的混合物外配5~10ml無水乙醇的比例加入無水乙醇；其中，碳粉為超細(xì) 碳粉，其純度達(dá)到99. 99%，粒度為40(Γ500目，尿素的粒度為1. 0(Tl. 18mm，鈦粉的粒度為 300?400 目。
[0034] (2)用鋼制模具將前一步所得的混合料靜壓成型，單向壓制壓力為20(T250MPa，保 壓時間為1~1. 5min，脫模得到生坯。
[0035] (3)將生坯放入真空碳管爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程分為低溫真空燒結(jié)和高溫固態(tài) 燒結(jié)兩步進(jìn)行；低溫真空燒結(jié)過程中，控制真空碳管爐內(nèi)真空度為IX KT^lXK^Pa，控制 升溫速率為2?5°C/min從室溫升溫至400°C進(jìn)行燒結(jié)，在400°C時保溫f 1. 5h ;然后進(jìn)入高 溫固態(tài)燒結(jié)過程，溫度升高到1260°C，在真空度為lXKnXK^Pa環(huán)境下保護(hù)燒結(jié)3h。 燒結(jié)完成后，隨爐冷卻到室溫后取出得到多孔鈦基復(fù)合材料。
[0036] 本實(shí)施例得到的添加碳含量為1重量份的多孔鈦基復(fù)合材料，通過抗壓縮性能檢 測，屈服應(yīng)力達(dá)到195. 51MPa。
[0037] 實(shí)施例3 : 本實(shí)施例一種原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料制備方法，其參照工藝流程圖2,主要 步驟包括如下： (1)稱取1. 5重量份的碳粉和98. 5重量份的鈦粉，構(gòu)成總重為100重量份的混合粉末， 并外加與該100重量份混合粉末相同體積的尿素，在研體內(nèi)混合，且在混合過程中按每千 克碳粉、鈦粉和尿素的混合物外配5~10ml無水乙醇的比例加入無水乙醇；其中，碳粉為超 細(xì)碳粉，其純度達(dá)到99. 99%，粒度為40(Γ500目，尿素的粒度為1. 0(Tl. 18mm，鈦粉的粒度為 300?400 目。
[0038] (2)用鋼制模具將前一步所得的混合料靜壓成型，單向壓制壓力為20(T250MPa，保 壓時間為1~1. 5min，脫模得到生坯。
[0039] (3)將生坯放入真空碳管爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程分為低溫真空燒結(jié)和高溫固態(tài) 燒結(jié)兩步進(jìn)行；低溫真空燒結(jié)過程中，控制真空碳管爐內(nèi)真空度為IX KT^lXK^Pa，控制 升溫速率為2?5°C/min從室溫升溫至400°C進(jìn)行燒結(jié)，在400°C時保溫f 1. 5h ;然后進(jìn)入高 溫固態(tài)燒結(jié)過程，溫度升高到1260°C，在真空度為lXKnXK^Pa環(huán)境下保護(hù)燒結(jié)2h。 燒結(jié)完成后，隨爐冷卻到室溫后取出得到多孔鈦基復(fù)合材料。
[0040] 本實(shí)施例得到的添加碳含量為1. 5重量份的多孔鈦基復(fù)合材料，通過抗壓縮性能 檢測，屈服應(yīng)力達(dá)到217. 19MPa。
[0041] 實(shí)施例4: 本實(shí)施例一種原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料制備方法，其參照工藝流程圖2,主要 步驟包括如下： (1)稱取2. 5重量份的碳粉和97. 5重量份的鈦粉，構(gòu)成總重為100重量份的混合粉末， 并外加與該100重量份混合粉末相同體積的尿素，在研體內(nèi)混合，且在混合過程中按每千 克碳粉、鈦粉和尿素的混合物外配5~10ml無水乙醇的比例加入無水乙醇；其中，碳粉為超 細(xì)碳粉，其純度達(dá)到99. 99%，粒度為40(Γ500目，尿素的粒度為1. 0(Tl. 18mm，鈦粉的粒度為 300?400 目。
[0042] (2)用鋼制模具將前一步所得的混合料靜壓成型，單向壓制壓力為20(T250MPa，保 壓時間為1~1. 5min，脫模得到生坯。
[0043] (3)將生坯放入真空碳管爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程分為低溫真空燒結(jié)和高溫固態(tài) 燒結(jié)兩步進(jìn)行；低溫真空燒結(jié)過程中，控制真空碳管爐內(nèi)真空度為IX KT^lXK^Pa，控制 升溫速率為2?5°C/min從室溫升溫至400°C進(jìn)行燒結(jié)，在400°C時保溫f 1. 5h ;然后進(jìn)入高 溫固態(tài)燒結(jié)過程，溫度升高到1260°C，在真空度為lXKnXK^Pa環(huán)境下保護(hù)燒結(jié)3h。 燒結(jié)完成后，隨爐冷卻到室溫后取出得到多孔鈦基復(fù)合材料。
[0044] 本實(shí)施例得到的添加碳含量為2. 5重量份的多孔鈦基復(fù)合材料，通過抗壓縮性能 檢測，屈服應(yīng)力達(dá)到186. 67MPa。相比于碳含量為2重量份所制得的多孔鈦基復(fù)合材料，其 強(qiáng)度有明顯降低的趨勢，其原因在于，過多的碳粉粉末與鈦粉混合，會導(dǎo)致混合粉末的成型 性變差，從而在經(jīng)過壓制成型和燒結(jié)過程過后，出現(xiàn)大量的裂紋，惡化了所得多孔鈦基復(fù)合 材料的強(qiáng)度。由于金屬中夾雜過多的非金屬，會導(dǎo)致混合粉末的粘結(jié)性變差以及顆粒之間 通過壓制成型的物理結(jié)合能力較差，從而有高含量的碳粉添加使得樣品內(nèi)部存在過多的裂 紋，來影響材料的綜合性能。因此，在碳粉與鈦粉混合形成的1〇〇重量份混合粉末中，碳粉 含量不宜超過2. 5重量份。
[0045] 綜合上述實(shí)施例，可以看到，本發(fā)明的一種原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料制 備方法，利用粉末冶金造孔劑技術(shù)，使用碳粉和鈦粉按1~2. 5 :97. 5~99的比例經(jīng)過配料混 合、壓制成型和燒結(jié)處理過后制備得到多孔高強(qiáng)度鈦基復(fù)合材料。其中，實(shí)施例1所得的泡 沫鎂效果最優(yōu)，其配料步驟中碳粉和鈦粉的重量分?jǐn)?shù)比為2 :98,在該比例的配比下，得到 多孔鈦基復(fù)合材料，其屈服應(yīng)力σ =339. 86MPa。通過抗壓縮性能檢測，實(shí)施例1所得的多孔 鈦基復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9所示，具有高強(qiáng)度，搞彈性模量等特點(diǎn)。當(dāng)然，本發(fā)明 其它實(shí)施例中制備的多孔鈦基復(fù)合材料，相比于現(xiàn)有技術(shù)而言，依然具有更高的強(qiáng)度和更 簡單的工藝。
[0046] 綜上所述，與現(xiàn)有的鈦基復(fù)合材料制備方法相比，本發(fā)明一種原位合成碳化鈦增 強(qiáng)鈦基多孔材料制備方法具有如下的突出優(yōu)點(diǎn)：第一，本發(fā)明的鈦基多孔材料制備方法工 藝簡單，流程短，通過這種熱處理方式，能源消耗低，同時有利于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，使得在強(qiáng) 度不降的情況下質(zhì)量更加的輕量化；第二，本發(fā)明的鈦基多孔材料制備方法在燒結(jié)處理過 程中即采用了真空脫出造孔劑又采用了高真空燒結(jié)，使得材料更加致密化，保護(hù)了設(shè)備所 用的石墨發(fā)熱體，延長了設(shè)備壽命；第三，尿素作為造孔劑的使用，比起NaCl、金屬鎂等作 為造孔劑而言，具有較為明顯的優(yōu)勢，因?yàn)槟蛩卦谳^低的加熱溫度下就易分解，通過抽真 空，將其抽出爐外，并且尿素的脫除過程不會引入其它雜質(zhì)，使得所得鈦基多孔材料成分容 易控制，尿素同時具有脫出后對環(huán)境不污染以及價格廉價的優(yōu)點(diǎn)；第四，本發(fā)明的鈦基多孔 材料制備方法，借助高溫環(huán)境下碳與鈦進(jìn)行原位合成形成碳化鈦增強(qiáng)體，使得所得多孔鈦 基復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能和強(qiáng)度得以提高，具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能，延長了多孔鈦基復(fù) 合材料的耐用時間；第五，本發(fā)明的鈦基多孔材料制備方法只需要借助簡單的設(shè)備便能夠 實(shí)施，有利于大規(guī)模的工業(yè)推廣?？梢姳景l(fā)明原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方 法，很好地解決了現(xiàn)有技術(shù)中多孔鈦制備工藝所得的鈦基多孔材料抗腐蝕性差、材料性能 惡化、較耐用時間短、工藝復(fù)雜、成份難控等問題，為制備高強(qiáng)度多孔鈦基復(fù)合材料提供了 一種新的技術(shù)途徑，具有非常好的應(yīng)用前景。
[0047] 最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技 術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1. 一種原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 稱取廣2. 5重量份的碳粉和97. 5~99重量份的鈦粉，構(gòu)成總重為100重量份的混合 粉末，并外加與該1〇〇重量份混合粉末相同體積的尿素，在研體內(nèi)混合，且在混合過程中按 每千克碳粉、鈦粉和尿素的混合物外配5~10ml無水乙醇的比例加入無水乙醇；其中，尿素 的粒度為1. 〇(Tl. 18mm，鈦粉的粒度為30(Γ400目，碳粉粒度為40(Γ500目； (2) 用鋼制模具將前一步所得的混合料靜壓成型，單向壓制壓力為20(T250MPa，保壓時 間為fl.5min，脫模得到生坯； (3) 將生坯放入真空碳管爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程分為低溫真空燒結(jié)和高溫真空燒結(jié) 兩步進(jìn)行；低溫真空燒結(jié)過程中，控制真空碳管爐內(nèi)真空度為1X 1〇_^1 X l〇_3Pa，控制升溫 速率為2?5°C /min從室溫升溫至400°C進(jìn)行燒結(jié)，在400°C時保溫f 1. 5h ;然后進(jìn)入高溫真 空燒結(jié)過程，溫度升高到1260°C，在真空度為lXKr^lXK^Pa環(huán)境下保護(hù)燒結(jié)2~3h ;燒 結(jié)完成后，隨爐冷卻到室溫后取出得到多孔鈦基復(fù)合材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方法，其特征在 于，所述步驟（1)中，碳粉和鈦粉的重量分?jǐn)?shù)比優(yōu)選為2 :98。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方法，其特征在 于，所述步驟（1)中，碳粉的純度達(dá)99. 99%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位合成碳化鈦增強(qiáng)鈦基多孔材料的制備方法，其特征在 于，所述步驟（1)中，所述尿素采用球形顆粒尿素。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于緩沖吸能材料泡沫鎂的制備方法，其特征在于，所述步 驟（3)中，在真空度為lXKT^lXK^Pa環(huán)境下保護(hù)燒結(jié)的時間為2.5h。
【文檔編號】C22C14/00GK104141063SQ201410372169
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】邱貴寶, 廖益龍, 盧治能, 楊柳, 肖健, 白晨光, 呂學(xué)偉, 扈玫瓏, 徐健, 張生富 申請人:重慶大學(xué)