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自蔓延高温合成新型碳化钛磨料_赵杰

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自蔓延高温合成新型碳化钛磨料赵杰*(南京化工大学材料科学与工程学院,南京,210009)摘要采用自蔓延高温合成技术制备碳化钛磨料。

考察了合成过程中钛粉粒度、C与T i摩尔比率、稀释剂添加量、初始样品密度对燃烧温度、燃烧速率及产物化学组成的影响,测试和比较了碳化钛和其他磨料的研磨性能,并通过SEM分析了碳化钛、金刚石颗粒及相应被磨工件的表面形貌。

结果表明:碳化钛的研磨能力可与人造金刚石相媲美,大大超过氧化铝、碳化硼和碳化硅。

而碳化钛的高研磨能力是由颗粒的强切削力所致,人造金刚石则由颗粒的高硬度所致。

关键词自蔓延高温合成碳化钛磨料中图分类号T B39自蔓延高温合成技术(SHS)是70年代初发展起来的制备材料的新方法,其特点是生产过程简单、反应迅速、产物纯度高、能耗低等,目前已被广泛用于陶瓷、陶瓷复合材料以及金属间化合物等高熔点难熔材料的制备。

碳化钛具有高的熔融温度、高的显微硬度,一定的韧性以及对钢铁类金属的化学惰性,是极有应用价值的材料。

传统的生产方法较为复杂、耗能又大。

本文着重介绍采用自蔓延高温合成技术制备新型碳化钛磨料。

分析了钛粉粒度、C 与Ti摩尔比、稀释剂添加量及初始样品密度对合成碳化钛的影响,比较了碳化钛、人造金刚石、碳化硼、碳化硅、氧化铝等磨料的研磨能力,表明了采用自蔓延高温合成技术制备的碳化钛是极有应用前景的新型磨料。

1实验将钛粉、碳黑(<325目),稀释剂(产物TiC)按比例在球磨机中充分混匀,压制成圆柱状样品,置于反应容器内,抽真空充氩气保护,采用钨圈加热点燃,燃烧结束后即生成了碳化钛产物。

产物为暗灰色的块体,由机械工具很容易破碎,表面疏松废物层约占整个产物质量分数的5%~ 10%,可作为稀释剂重新利用。

实验研究了碳化钛合成过程中钛粉粒度、C 与Ti摩尔比率、稀释剂添加量、初始样品密度对燃烧温度、燃烧速率及产物化学组成(质量分数,下同)的影响。

燃烧温度的测定是将W-5%Re/ W-26%Re热电偶插入样品中间,燃烧速率即为样品的高度与燃烧所需时间之比率。

用化学法分析了碳化钛中的化合碳和游离碳质量分数,由X-ray衍射分析了产物的物相,并通过SEM观察了不同样品(磨料及被磨工件表面)的显微形貌。

将碳化钛粉末与酚醛树脂混合镶样,研磨抛光后在H X-600型显微硬度计上测量了碳化钛的显微硬度;采用模压法比较了碳化钛与其它磨料的相对韧性。

另外借助于销盘式磨料磨损机对碳化钛、碳化硼、碳化硅、氧化铝及人造金刚石等磨料进行了研磨性能测试。

磨盘是多孔的树脂圆盘,线速度为0.34m/s,加载7.96g/mm2,研磨能力是通过测定淬火45#钢(HRC56)经一定时间内研磨后而引起的质量损失来确定的。

2结果与讨论2.1不同工艺参数的影响2.1.1钛粉粒度第21卷第6期南京化工大学学报V ol.21N o.6 1999年11月JOU RNA L OF NAN JING U NI VERSIT Y O F CHEM ICA L T ECHN OLO GY Nov.1999 *收稿日期:1999-03-29由表1可见,随着钛粉粒度的变小,燃烧温度及速率随之升高,化合碳质量分数也随之增加,而游离碳质量分数却逐渐降低,但粒度过细时游离碳质量分数又会增加。

这是由于随着粒度变小,钛粉的比表面积变大,粉末间的反应界面和扩散截面增加,界面化学反应和扩散能力增强,从而提高了燃烧速率,增大了燃烧温度。

同时粒度变小,钛粉与碳黑粒度差别较小,这样会使样品中化学组成均匀,反应完全,从而使得产物中化合碳质量分数增加,游离碳质量分数降低。

但选用过细的钛粉也不适宜,细粉吸附能力较强,易吸附外界空气中的杂质,且又易氧化,燃烧合成瞬间会放出较多的气体,破坏了碳化条件,也会造成产物中游离碳质量分数的增大,从而影响产物的性能。

表1 钛粉粒度对燃烧温度、速率、及产物化学组成的影响Table 1 T he effect of titanium pow der size oncombusti on temperature,veloci ty,and composi tion of product钛粉粒度/L m燃烧温度T c /K 速率v /(mm/s)游离碳(C f )w %化合碳(C c )w %180~1252860 3.70.1918.51125~982880 4.30.0718.3498~652890 5.50.0618.5665292012.40.0719.1450294017.10.0919.662.1.2 C 与T i 摩尔比由Ti-C 相图[1](图1)可见,在相对宽的组成范围内,碳化钛均以单一的物相存在,据介绍低限位于TiC 0.6组成点[2]。

图1 T i-C 二元相图Fig.1 The titanium -carbon bi nary phasediagram图2 晶格参数与n (C)/n (T i)(摩尔比)的关系Fig.2 Relation betw een lattice and n (C)/n (Ti)molarratio(a)o 燃烧温度 v燃烧速率(b) o 化合碳质量分数 v 游离碳质量分数图3 (a)燃烧温度、速率及(b)产物化学组成与、n (C)/n (T i)的关系Fig.3 The depen dence of (a)combusti on temperature ,veloci ty ,and (b)com positi on of product on n (C)/n (Ti)molar ratio碳化钛的晶体结构是面心立方(NaCl 型),晶格参数是0.4329[3]。

采用自蔓延高温合成碳化钛的实验结果表明,当n (C )/n (T i)=0.6~1时,产物均为单一的TiC 相,但晶格参数(a 0)随着n (C)/n (Ti)比率的增加而增大,当n (C)/n (T i)接近化学计量式时,晶格参数最大(见图2)。

21第6期 赵 杰:自蔓延高温合成新型碳化钛磨料反应的初始混合物中,n (C)/n (Ti)不同将会导致不同的燃烧过程,引起产物相组成发生变化。

由图3所示,随着碳质量分数的增加,燃烧温度升高,燃烧速率变大,化合碳质量分数增加而游离碳质量分数降低。

n (C)/n (Ti)接近化学计量式时,燃烧温度接近碳化钛的熔点(T m =3210K),化合碳质量分数最高,反应最完全。

2.1.3 稀释剂添加量将最终碳化钛产物的表层废物破碎、球磨、过250目筛,作为稀释剂加入到n (C)/n (Ti)=1的混合物中,图4给出了稀释剂添加量对燃烧温度、速率及产物化学组成的影响。

(a) o 燃烧温度 v燃烧速率(b) o 化合碳质量分数 v 游离碳质量分数图4 (a)燃烧温度、速率及(b)产物化学组成与稀释剂添加量的关系Fi g.4 T he dependence of (a)combustion temperature ,veloci ty and (b)compositi on of product on the degree of diluti on可见无稀释剂时燃烧温度较高,接近碳化钛的熔点,且燃烧速率也很高,而随着稀释剂添加量的增加,两者均降低。

可见加入稀释剂能降低燃烧温度,阻止反应物的烧结,使得碳化钛以粉末形式存在,这样无需再进行强烈破碎,即可作为磨料使用。

同时由于利用了合成中的残料,使生产的成本降低。

但稀释剂加入量过多,不利于晶体生长,会造成反应的不完全,使得产物中化合碳质量分数降低,游离碳质量分数增加,最终将影响碳化钛磨料的性能。

2.1.4 初始样品的密度初始样品的密度对燃烧温度、速率及产物化学组成的影响如图5所示。

所研究的相对密度范围是0.55~0.70。

密度太低,钛粉与碳黑颗粒间接触程度小,反应截面和扩散截面较小,反应和扩散能力降低,使得燃烧温度及速率变小,游离碳质量分数相应较高;若密度太高,热传导性增大,热损失相对提高,同样也会降低燃烧温度和速率,增加游离碳质量分数。

完全致密的样品由于高的热传导性将不能被点燃。

(a) o 燃烧温度 v燃烧速率(b)o 化合碳质量分数 v 游离碳质量分数图5 (a)燃烧温度、速率及(b)产物化学组成与初始样品相对密度的关系Fig.5 T he dependence of (a)combus tion temperature,and (b)composi tion of product on initial relative density of reactant2.2 研磨能力测试和分析实验结果表明,采用自蔓延高温合成技术制备的碳化钛,显微硬度值为3.0@104~3.6@10422 南 京 化 工 大 学 学 报 第21卷N/mm 2。

按钛粉粒度98~65L m 、初始相对密度0.63、n (C)/n (T i)为1的工艺参数合成的碳化钛,经破碎、球磨、过筛后,根据粒度粗细可分成不同级别的磨料。

表2 各种磨料的显微硬度、韧性及研磨能力Table 2 T he micro-hardness ,ducti lity and abrasive ability of vari ous pow der 人造金刚石碳化钛(SHS)碳化硼碳化硅氧化铝显微硬度/(N/mm 2)1.0@1053.0@104~3.4@1043.9@104~4.4@1043.2@104~3.3@1042.2@104~2.4@104韧性%10055807531研磨能力/mg48.8537.652.802.40[ 1.00注:研磨能力(W L)为45min 的测定结果表2列出了不同材质磨料的显微硬度(HV)、韧性(D)及研磨能力(WL)。

实验中选用的磨料粒度为28~40L m,研磨时间为45min,研磨工件是淬火的45#钢(HRC56)。

可见人造金刚石的显微硬度大约是碳化钛的3倍,韧性约是2倍。

而研磨能力碳化钛仅略低于人造金刚石,却远远超过碳化硼、碳化硅及氧化铝。

图6表明了碳化钛和人造金刚石研磨能力随时间的变化关系。

可见,在被测试时间内,碳化钛和人造金刚石的研磨能力相差不大。

天然金刚石与人造金刚石除了成本高外,还会与大多数过渡金属起反应,使加工质量下降。

虽然碳化硼能解决这一问题,但价格并不比人造金刚石便宜,而碳化钛对于铁基金属具有良好的化学惰性,因此在某些机械加工领域使用碳化钛替代人造金刚石,将会大大提高经济效益。

可见碳化钛是极有应用前景的新型磨料。

o 人造金刚石v SHS 制备的碳化钛图6 研磨能力与研磨时间的关系Fig.6 The dependence of abrasive ability on test time根据SEM 照片,比较了碳化钛颗粒与人造金刚石颗粒的表面形态(见图7),发现碳化钛颗粒呈棱角状,且切削边缘锋利,有尖锐的切削角。

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碳化钛复合材料的制备及性能研究

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碳化钛复合材料的制备及性能研究作者：***来源：《佛山陶瓷》2022年第05期摘要：采用真空烧结工艺和热压烧结工艺制备了碳化钛复合材料。

凭借场发射扫描电镜（SEM）对试样的表观形貌与断口形貌进行了观察，检测了其力学性能并分析了抗氧化性能。

结果显示：采用不同烧结工艺制备的碳化钛复合材料的力学性能及微观结构有较大差别，热压烧结工艺制备的试样各项性能较优，且试样的断裂面显微组织细密、晶界分布明显、裂纹扩张路线多样变化且走向清晰。

力学性能分别为：弯曲强度1139 MPa，断裂韧性9.8 MPa·m1/2，维氏硬度21.7 GPa，相对密度99.2%。

在设定的条件氧化2 h后，900 ℃时热压烧结制备的试样表面生成了对基体没有保护效用的非保护性氧化膜;而1150 ℃时试样表面形成了一层致密的对基体具有保护效果的保护性氧化膜。

关键词：碳化钛;碳化钨;复合材料;真空烧结;热压烧结;抗氧化性能1 前言鉴于碳化钛具有熔点高、硬度高、抗热震性好及良好的耐热冲击性等各项优异的性能，因而作为难熔碳化物普遍应用于切削刀具、耐磨材料、坩埚和工业机械配件等众多领域[1，2]。

碳化钛粉末一般采用碳热还原法进行制备，以二氧化钛或钛作为钛源和炭黑等混合均匀后，在真空碳（石墨）管炉中于高温下反应即可生成。

也可应用其他制备方法，如高温自蔓延法等[3]。

碳化钛陶瓷材料的制备方法主要有：机械合金化法、原位合成法、高温自蔓延法、热喷涂法等等[3-7]。

在TiC陶瓷材料中添加金属材料组分，不仅可以保留陶瓷固有的耐磨性、高硬度、高强度及抗氧化等特性，还具有了金属组分的延展性，使复合材料的韧性得以提升[1，8]。

因此，本实验添加 WC作为补强增韧相，粘结相金属Ni、Co和Mo于TiC基体材料中，采用真空烧结工艺和热压烧结工艺制备了碳化钛陶瓷复合材料。

选用扫描电镜（SEM）察看了复合材料的表观形貌与断口形貌，分别检测了其力学性能，并对热压烧结工艺制备的碳化钛复合材料的抗氧化性能进行了研究。

自蔓延高温合成技术的发展与应用

自蔓延高温合成技术的发展与应用

收稿日期:2005-04-20　作者简介:谭小桩(1970-),男,1989年毕业于北京科技大学金属材料与热处理专业,工程师.　文章编号:1009-9700(2005)05-0005-05自蔓延高温合成技术的发展与应用谭小桩1,贾光耀2(11广东省钢铁研究所,广东广州510640;21北京科技大学材料学院,北京100083)摘　要:自蔓延高温合成技术是20世纪后期诞生的一门新兴的前沿科学,在粉体合成及陶瓷涂层内衬的制备等方面充分显示其优越性.文章对自蔓延高温合成技术的概念、国内外基本情况进行了阐述,同时简要介绍了自蔓延高温合成的燃烧理论,对利用自蔓延合成技术进行粉体合成及陶瓷内衬钢管的应用研究等作了较为详尽的说明.关键词:自蔓延;氮化铝;陶瓷粉末中图分类号:T B 39 文献标识码:ADevelopment and application of self 2propagating high temperature synthesisT AN X iao 2zhuang 1,J I A G uang 2yao 21G uangdong Research Institute of Iron and S teel ,G uangzhou 510640;2Beijing University of Science and T echnology ,Beijing10083Abstract :Born in late 20th century as a frontier field of science ,self 2propagating high tem perature synthesis (SHS )has shown its merits in powder synthesis and manu facture of inner ceramic lining.This paper is concerned with the definition ,current status both at home and abroad ,and relevant combustion theories ,all inv olved in the SHS.The applications of the SHS technique in syn 2thetizing powders and manu facturing ceramic inner lining in steel pipes are reviewed in detail.K ey w ords :self 2propagating ;aluminum nitride ;ceramic powder1　引言 自蔓延高温合成(Self -Propagating High T em per 2ature Synthesis ,SHS ),也称燃烧合成(C ombustion Syn 2thesis ,CS ),它是一种利用化学反应自身放热使反应持续进行,最终合成所需材料或制品的新技术.任何化学物质的燃烧只要其结果是形成了有实际用途的凝聚态的产品或材料,都可被称为SHS 过程.在SHS 过程中,参与反应的物质可处于固态、液态或气态,但最终产物一般是固态.燃烧合成的基本要素.(1)利用化学反应自身放热,完全或部分不需外部热源;(2)通过快速自动波燃烧的自维持反应得到所需成分和结构的产物;(3)通过改变热的释放和传输速度来控制过程的速度、温度、转化率和产物的成分及结构.SHS 技术制备的产品纯度高、能耗低、工艺简单,用SHS 技术可以制备非平衡态、非化学计量比和功能梯度材料.其特点为:①是一种快速的合成过程;②具有节能效果;③可提高合成材料的纯度;④产物易形成多孔组织;⑤燃烧产物的组织具较大的离散性.因此,探索各种SHS 体系的燃烧合成规律,获得均匀组织也是保障SHS 产业化的关键.2　国内外研究现状1967年,苏联科学院化学物理研究所宏观动力学研究室的Borovinskaya ,Skior 和Merhanov 等人[1]在研究钛和硼的混合粉坯块的燃烧时,发现“固体火焰”,后又发现许多金属和非金属反应形成难熔化合物时都有强烈的放热反应;1972年,该所建立了年产10～12t 难熔化合物粉末(碳化钛、二硼化钛、氮化硼、硅化钼等)的SHS 中试装置;1973年,苏联开始将SHS 产物投入实际应用,并召开了全苏SHS 会总第146期2005年10月 南　方　金　属S OUTHERN MET A LS Sum.146October 2005议;1975年,苏联开始研究SHS 致密化技术,将SHS 和传统冶金及材料加工技术结合,在燃烧合成的同时进行热固结或加工成型,一步合成所需要的形状或尺寸的产品或涂层,并于1979年开始工业化生产M oSi 2粉末和加热元件;1984年,Merhanov 等提出结构宏观动力学的概念,研究燃烧合成过程中的化学转变、热交换、物质交换和结构转变及它们的关系;1987年,苏联成立成立SHS 研究中心,此前苏联几十个城市都有SHS 研究机构.据1991年的统计,前苏联有150多个单位,800多人发表了SHS 方面的论文.工业生产的SHS 产品有T iC 磨料、M oSi 2加热元件、耐火材料、形状记忆合金、硬质合金等,1996年开始规模生产铁氧体.以Merzhanov 院士为代表的俄罗斯学者为SHS 学科的建立和实际应用做出了杰出贡献.80年代初,苏联的SHS 成就引起外界的注意.Crider ,Franhouser 等人对苏联SHS 的介绍促进了外界对SHS 的了解.美国Mccauley ,H olt 等人的SHS 研究也得到了美国政府DARPA 计划的支持.Munir 和H olt [2～3]分别也对SHS 和反应烧结作了许多的研究工作.1988年在美国召开了“高温材料的燃烧合成和等离子合成”国际会议,Merhanov 应邀作了关于SHS 的长篇报告,促进了SHS 的国际交流.80年代初,日本的小田原修,小泉光惠和宫本钦生等开始SHS 研究.1987年日本成立燃烧合成研究协会.1990年,在日本召开了第一次日美燃烧合成讨论会,Merhanov 应邀作了报告.目前,日本研究的陶瓷内衬钢管和T iNi 形状记忆合金已投入实际应用.我国在70年代初期利用M o 2Si 的放热反应制备了M oSi 2粉末[4].1983年,利用超高反应烧结制备C BN 硬质合金复合片.80年代中后期,西北有色金属研究院、北京科技大学、南京电光源研究所、武汉工业大学、北京钢铁研究总院等单位相继展开了SHS 研究[5～9].Munir 教授和Borovinskaya 教授曾分别应邀在北京科技大学和北京有色研究总院介绍了SHS.“八五”期间,国家863计划新材料领域设立SHS 技术项目,支持SHS 研究开发.1994年,在武汉召开了第一届全国燃烧合成学术会议.我国的SHS 产业化成果也得到了国外同行的高度评价.我国研制的陶瓷复合钢管年产近万吨.近年,我国在SHS 领域加强了与国外的合作与交流,发表的SHS 方面的文章数目仅次于俄、美,与日本相近.我国台湾学者在SHS 粉末和不规则燃烧方面也取得了引人注目的科研成果.目前,从事SHS 研究和开发的国家已达30多个.3　自蔓延高温合成技术理论随着对自蔓延高温合成技术实验研究的不断深入和推广应用,其理论日臻完善,目前对自蔓延高温合成技术理论的研究主要体现在以下几方面:SHS 过程热力学、绝热燃烧温度、平衡成份的确定、点火理论及动力学等[10].311　SHS 过程热力学燃烧体系进行热力学分析是SHS 研究过程的基础.绝热燃烧温度是描述SHS 反应特征的最重要的热力学参量.它不仅可以作为判断反应能否自我维持的定性判据,并且还可以对燃烧反应产物的状态进行预测并且可为反应体系的成分设计提供依据.Merzhanov 等人提出以下经验判据.当T ad ≥1800K 时,SHS 反应才能自我持续完成.f (T ad )=2RT ad E T adT ab -T o+1式中:T ad 代表反应绝热温度;T 0代表初始温度;E 代表反应激活能.312　绝热燃烧温度绝热燃烧温度是指绝热条件下燃烧所能达到的最高温度,此时反应放出的热量全部用来加热生成产物.根据其与生成物的熔点之间的关系,对反应Σm i R i =Σn j P j ,其焓变可以表示为:H oT +H o298+∫T tr298C pdT +△Htr+∫T mI ′urC ′p dT +△H m+∫T BT mC ″pdT +△H B+∫T adT BCpdT式中C p C ′p C ″p Cp 分别为反应物的低温固态、高温固态、液态和气态的摩尔热容.(T tr :相变温度;△H tr :相变热;T m :熔点;△H m :熔化热;T B :沸点;△H B :汽化热)313　SHS 产物平衡成份的确定目前有两种计算SHS 产物平衡成份的算法,一种是简化算法,另一种是精确算法,在此基础上可以通过简化推出其它算法.首先设定SHS 产物的化学成份,其设定方法一般只考虑所关心的生成物,绝热燃烧温度也是以上述假定下的化学反应所放出的热量为基础进行的.这种算法对生成物较简单的SHS 体系,特别是生成6 南　方　金　属S OUTHERN MET A LS2005年第5期　物较单一的体系是比较有效的,但对于具有多元的SHS体系,因其产物也较复杂,仅假定所关心的产物相是不够的.要实现对燃烧产物组织结构的严格控制,就必须对整个燃烧合成体系进行详尽的热力学分析,从热力学平衡的角度出发确定产物相,这就需要精确算法.314　热点火理论自蔓延高温合成的燃烧过程是强烈的自维持放热反应的过程.从无机化学反应向稳定的自维持强烈放热反应状态的过渡过程为着火过程,相反,从强烈的放热反应向无反应状况的过渡称做熄火着火的方式很多,一般可分为下列三类着火方式:化学自燃.这类着火通常不需外界给以加热,而是在常温下依靠自身的化学反应发生的.热自燃.如果将燃烧和氧化剂混合物均匀地加热,当混合物加热到某一温度时的便着火,这时是在混合物的整个容积中着火,称为热自燃.点燃.用火花、电弧、热平板、钨丝等高温热源使混合物局部受到强烈的加热而先着火燃烧,随后,这部分已燃的火焰传播到整个反应的空间,这种着火方式称为点火.自蔓延高温合成过程的着火方式绝大多数情况下均为点火方式.该理论以SHS体系的热稳定性或热失稳为研究对象,研究化学反应的动力学过程,热传递过程,着火点火之间的联系.315　燃烧波蔓延作为一类特殊的化学反应,SHS反应区前沿,即燃烧波会随着反应的进行而不断推移.因此需要建立能反映这一特征的动力学参数.燃烧波速率则是这一动力学参数,它描述了燃烧波前的移动速率.在一定的假设条件下,如忽视对流、辐射散热等,以及对燃烧波结构作一定的约束之后,可以求出燃烧波速率υ的解析式.不同的约束条件会得到略有差别的解.大多数的SHS过程,燃烧前沿都存在一个光滑的表面(平面或很小的曲面),这一表面以恒定的速率一层一层传播,称之为稳态燃烧.有时在SHS过程中,燃烧波前沿的传播在时间和空间上都是不稳定的,称之为非稳态燃烧.非稳态燃烧分为振动式和螺旋式两种模式.影响燃烧波速率的因素很多,有化学成分、稀释剂含量、压坯相对密度、反应物尺寸、预热温度等.316　SHS的动力学燃烧合成动力学,主要研究燃烧波附近高温化学转变的速率等规律,燃烧波速率是目前人们普遍采用的一个SHS动力学参量,它直接反映了燃烧前沿的移动速度;另外有关的概念还有质量燃烧速率和能量释放率等.燃烧机制是指物质燃烧过程中所发生的化学反应,物理化学变化和物质传输过程规律以及这些变化之间的关系.燃烧机制可以归纳为以下4种类型:(1)固相扩散机制;(2)气体传输机制;(3)溶解析出机制;(4)气体渗透机制.目前所采用的研究方法包括:SHS过程的快淬保持及随后对试样的逐层分析;燃烧波前沿内物质相组成变化的动力学研究.研究的主要手段有:x射线分析,包括同步辐射,动态x射线衍射分析.其平衡态SHS模型见图1.图1　SHS的平衡态模型 图中a ko反应物浓度,a pb为生成物浓度,T o为反应物初始温度,T b为生成物温度,υ为燃烧波传播速度m/s,η为热释放率.以此模型为基础形成了燃烧合成的热力学、动力学以及燃烧合成的理论包括燃烧理论、燃烧化学及结构宏观动力学等.4　SHS技术的应用燃烧合成自问世以来,已开发出6大类相关技术和工艺[11,12],即燃烧合成制备粉体,燃烧合成烧结技术,燃烧合成致密化技术,燃烧合成熔铸技术,燃烧合成焊接技术及燃烧合成涂层技术.采用燃烧合成技术可以制备常规方法难以得到的结构陶瓷、梯度材料、超硬磨料、电子材料、涂层材料金属间化合物及复合材料等.目前,SHS粉末技术已成功地应用于商业生产,SHS-离心法制备钢管涂层也已成为一种逐渐成熟的工业技术在日本,中国等地得到推广应用.由SHS一步合成致密材料的研究也在7　总第146期谭小桩等:自蔓延高温合成技术的发展与应用进行中,致密化时的加压可在燃烧波蔓延时或蔓延后产物仍处于高温时进行.加压方式可以采用单向加压,等静压,准等静压及动态加载法.SHS粉末合成技术包含的工序类似于粉末冶金制粉.但两者又有区别,其区别主要在合成工序. SHS粉末合成技术的工艺流程如图2所示.图2　SHS粉末合成技术的工艺流程411　利用SHS工艺制备难熔化合物低成本与高性能是许多先进材料研究与应用领域普遍存在的问题[13],利用化学反应释放的高热量低温制备高熔点先进材料的燃烧合成熔化技术可合成许多难熔化合物粉体或复合材料.难熔化合物指碳化物、氮化物、硅化物和硼化物,既包括金属也包括非金属的碳、氮、硅、硼化合物.表1是利用SHS工艺所制备的部分难熔化合物材料.表1　SHS技术合成的部分材料碳化物氮化物硅化物硼化物T iCZ rC CrB2H fC T iN M oS i2H fB2NdC Z rC T aS i2NdB2S iC BN T i5S i3T aB2Cr3C2AiN Z rS i2T iB2B4C S i3N4LaB2WC T aN M oB2412　SHS制备陶瓷内衬钢管41211　基本原理很多高放热SHS体系的燃烧温度超过燃烧产物的熔点,燃烧后的产物是熔体.这种SHS体系与常规的冶金方法相结合,产生了SHS技术,利用SHS法得到熔体,用常规冶金法处理熔体[14,15].SHS冶金包括SHS铸造和SHS-离心技术.铝热反应由于其高放热而被广泛用于SHS冶金.其化学反应式为:(1)　Fe2O3+Al→Fe+Al2O3+O(2)　2M oO3+4Al+C→2Al2O3+M o2C+Q41212　SHS-离心法在石油化工、电力及冶金行业,钢管的使用寿命成为人们最关心的问题,然而由于钢管的内径小、长度大,用其它的防腐处理方法很难实现,而用次工艺便可很容易的解决.它是利用铝、镁、硅、锆等粉末与金属氧化物的高放热化学反应,依靠化学反应潜热加热反应物—陶瓷与金属或陶瓷与陶瓷.由于反应温度超过了陶瓷及金属的熔点,整个体系处于熔融状态.在离心力的作用下,熔体按密度大小分层,大密度的组分与钢管基体结合,小密度的陶瓷组分涂覆在钢管的内壁,形成陶瓷涂层,见图3.目前,涂层内衬钢管的生产技术已相当成熟.图3　SHS-离心法原理41213　SHS-重力法比较直的钢管采用离心法是可以的,如果是弯管或其它不规则形状的钢管仍采用离心法显然是不可行的.经过工程技术研究人员的努力,利用重力原理使得在SHS过程中熔体涂覆到钢管的内壁.因铝热反应产生的高温使反应物处于熔融状态,钢管中在反应物料上形成了由金属Fe及陶瓷两相熔体组成的熔池,由于Fe的密度大于涂层相的密度,在重力作用下,两熔体分离,Fe沉积于熔池的底部,熔融的涂层相浮于熔池的上部.随着自蔓延反应的进行,液面逐渐下降,导致Fe的液相和陶瓷液相依次附与钢管内壁并结晶凝固,从而在钢管内壁形成连续均匀的涂层[9].其原理如图4所示.8南　方　金　属S OUTHERN MET A LS2005年第5期　图4　SHS-重力法原理5　结束语 经过材料科学工作者几十年的努力,自蔓延高温合成技术已成功应用于难熔化合物的制备,包括粉体的制备及复合材料的制备等,而采用SHS法制备的陶瓷内衬钢管以其良好的耐磨、耐蚀、耐高温性能和优异的抗机械冲击、抗热冲击性能,产品重量轻、不怕磕碰、价格低等优点在许多工程中也得到了广泛应用,使用寿命是现行管材的几倍几十倍.尽管自蔓延高温合成技术在材料的改性方面已得到了广泛的应用,在性能价格比方面有优越性,但是科学工作者不满于现状仍在继续完善SHS工艺,比如将SHS工艺与加压相结合,可获得更致密与基体结合更牢固的陶瓷涂层材料,以满足于防腐、耐磨、隔热等不同使用环境的要求[4,10,11,15].参考文献[1]　Merzhanov A G.C ombustion and Plasma Synthesis of High-　T em perature Materials[M].New Y ork:C VH Publ inc, 1990.[2]　Munir Z A.Synthesis of High-T em perature Materials by Self-Propagating C ombustion Methods[J].Ceramic Bulletin, 1998,667(2):342～349.[3]　H olt J B.The Fabrication of S iC,S i3N4and AlN by C om2bustion Synthesis[J].Ceramic C om ponents for engines, 1983,3(2):721～728.[4]　殷　声.燃烧合成[M].北京:冶金工业出版社,1999.[5]　唐华生.精密陶瓷自燃烧结法的研究与应用[J].兵器材料科学与工程,1990,8(2):8～13.[6]　许伯潘.静态自蔓延合成陶瓷涂层实验研究[J].武汉冶金工业大学学报,1998,21(2):166～169.[7]　傅正义.自蔓延高温合成(SHS)过程的点火模型与分析[J].硅酸盐学报,1994,22(5):447～452.[8]　张树格.材料合成与粉末冶金[J].粉末冶金技术,1992,10(4):301.[9]　赵忠民.重力分离SHS法制备陶瓷涂层内衬复合钢管的组织与性能[J].机械工程材料,1998,22(2):34～37.[10]许兴利,韩杰才,杜善义.自蔓延合成理论研究与进展(一)[J].功能材料,1996,27(6):223～227.[11]李文戈,周和平.燃烧合成陶瓷涂层技术的应用形状及发展前景[J].材料保护,2001,34(1):35～37. [12]殷　声.燃烧合成的发展状况.粉末冶金技术[J].2001,19(2):93～97.[13]薛群基,喇培清.低温制备高熔点先进材料的燃烧合成熔化技术[J].甘肃科技纵横,2002,12(3):28～31. [14]雷林海.材料合成新工艺———自蔓延高温合成[J].石油化工腐蚀与防护,1997,14(3):12～16.[15]殷　声.自蔓延高温合成法(SHS)的发展[J].粉末冶金技术,1992,10(3):223～227.标题新闻 广东省省委副书记、省长黄华华8月15日寄语韶钢,努力把韶钢建成资产或销售收入超千亿元的“航空母舰”,成为我省产业发展的排头兵.9　总第146期谭小桩等:自蔓延高温合成技术的发展与应用。

钛碳化硅陶瓷材料的研究进展

钛碳化硅陶瓷材料的研究进展

钛碳化硅陶瓷材料的研究进展贾换 王娇 徐简 武国强(西安思源学院 陕西西安 710038)摘要：三元层状化合物钛碳化硅是一种结合金属和陶瓷性能的新型金属陶瓷，它具有较高的力学性能、优良的耐磨损性能、导热导电性能、良好的耐腐蚀和抗高温氧化性能等，被广泛应用于机电、化工、冶金和航空航天等领域。

该文首先综述了Ti3SiC2材料的结构、制备方法，其次对Ti3SiC2材料的制备工艺、力学性能等进行了介绍，最后对Ti3SiC2材料未来研究方向进行了展望。

关键词：Ti3SiC2制备 性能 第二相中图分类号：TQ175文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)16-0120-04Research Progress of Ti3SiC2Ceramic MaterialsJIA Huan WANG Jiao XU Jian WU Guoqiang (Xi′an Siyuan University, Xi'an, Shaanxi Province, 710038 China)Abstract:The laminated Ti3SiC2is a new kind of metallic ceramic because they combine properties of metallic andceramic simultaneously. Due to the favourable high mechanical property, excellent wear resistance, thermal andelectrical conductivity and excellent high temperature oxidation resistance properties, Ti3SiC2ceramic materials areused in a wide range of fields such as electromechanical, chemical machinerymetallurgical and aerospace. Ti3SiC2materials preparation, structure and preparation method are reviewed. This paper summarizes properties, preparationmethods and the future research direction of Ti3SiC2composite materials.Key Words: Ti3SiC2; Preparation technology; Performance; Reinforced phaseMn+1AXn是三元层状化合物，如Ti3SiC2、Ti2A1C、Ti2SnC、Ti3A1C2等，其中最典型的是Ti3SiC2[1]。

SPS烧结Ti(C,N)基金属陶瓷的工艺研究--毕业设计论文

SPS烧结Ti(C,N)基金属陶瓷的工艺研究--毕业设计论文

毕业设计（论文）题目SPS烧结Ti(C,N)基金属陶瓷的工艺研究学生姓名学号专业材料成型及控制工程班级指导教师评阅教师完成日期2012 年5 月23 日学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：2012年5月17日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于1、保密□，在_________年解密后适用本授权书。

2、不保密□`。

（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：年月日导师签名：年月日目录摘要 (4)1 绪论 (6)1.1 Ti(C,N)基金属陶瓷 (6)1.1.1 Ti(C,N)基金属陶瓷介绍 (6)1.1.2 Ti(C,N)基金属陶瓷的结构与性能 (6)1.1.3 Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织 (7)1.1.4 Ti(C,N)基金属陶瓷的发展趋势与运用 (7)1.2 放电等离子烧结（SPS烧结） (8)1.2.1 放电等离子烧结介绍 (8)1.2.2 SPS(放电等离子烧结)的技术装置、原理及特点 (8)1.2.3 SPS技术在材料制备中的发展和运用 (10)1.2 研究的内容 (11)1.3 研究的技术路线 (12)1.4 研究的目的和意义 (12)2 研究SPS烧结Ti(C,N)金属陶瓷的实验方法 (15)2.1 Ti(C,N)金属陶瓷基体成分设计 (15)2.2 金属陶瓷基体材料的制备工艺 (15)2.3 性能测试 (16)3 Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织的形成及特点 (17)3.1 普通真空烧结Ti(C,N)金属陶瓷的组织结构特点 (17)3.2 SPS烧结Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织的形成及特点 (18)4 SPS烧结Ti(C,N)基金属陶瓷工艺研究 (22)4.1 SPS烧结工艺 (22)4.2 烧结温度对金属陶瓷组织和性能的影响 (23)4.3 升温速率对金属陶瓷组织和性能的影响 (25)4.4 保温时间对金属陶瓷组织和性能的影响 (27)4.5 SPS烧结工艺的确定 (29)5 全文小结 (30)致谢 (31)参考文献 (32)SPS烧结Ti(C,N)基金属陶瓷的工艺研究学生：指导老师：摘要：采用SPS烧结工艺制备了Ti(C,N)基金属陶瓷，研究了烧结温度、升温速率和保温时间对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响，并用SEM观察其断口形貌。