SnC為前驅體的超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種以Ti2SnC為前驅體的超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]具有高屈服強度高延展性、耐磨損、抗侵蝕的銅基材料，因其高的特性和易于加工成型，在軍工裝備、高速鐵路、航空航天等領域有很大的應用，如高強箱殼材料等。然而對于一般銅基材料來說，高強度與高延展性往往不能同時得到。銅具有很好的塑性變形能力，但是其屈服強度較低。一般采用加工硬化和晶界強化等手段，即通過阻礙位錯運動和增加位錯障礙的密度，來提高強度。近些年，通過陶瓷相顆粒增強Cu基復合材料的手段大大提高了銅材料的強度和硬度。但是，這些方法往往以犧牲銅基體的塑韌性為代價。而采用減小陶瓷顆粒尺寸、細化Cu基體和原位生成陶瓷顆粒增強相而獲得與金屬材料的強界面結合的方法是對改善顆粒增強Cu基復合材料塑韌性比較有效的方法。
[0003]Ti2SnC是一種新型的三元碳化物陶瓷，它同時含有共價鍵和金屬鍵，集成了陶瓷和金屬的優(yōu)點，如高的機械強度、優(yōu)異的抗熱震性、良好的導電性和易加工性等。Ti2SnC屬于分層的六方晶體結構，其近乎密排的各個Ti層與Sn原子層交叉，C原子填充Ti層之間的八面體位置，Sn原子位于具有較大空間的三方柱的中心，Ti6C八面體棱邊共享。在它們的結構中，Ti原子與C原子之間的結合(即納米尺度TiCa5基團)為強共價鍵，而Ti原子與Sn原子之間為弱結合，類似于層狀石墨，層間由范德華力結合。由于這個原因，垂直于c軸的層與層之間在外力的作用下容易發(fā)生滑動，Sn原子更容易從其所在位置逃逸。這些特有的納米層狀晶體結構、高溫分解和外力溶解行為，使我們想到，可以采用Ti2SnC陶瓷作為先驅體加入Cu熔體中，由于Cu與Ti2SnC中的Sn有強固溶結合力，能將Sn原子溶出，得到納米TiCtl 5基團，并且TiC 0.5與Cu有很好的潤濕性，能作為Cu合金的形核劑或細化劑。這樣納米TiCa5基團，既可作為形核劑細化Cu基體晶粒，又能作為有效的納米增強體增強Cu基復合材料，這樣制備的復合材料將同時具有高強度和高延展性。而目前這方面的工作還未見報道。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種以Ti2SnC為前驅體的超細陶瓷顆粒細化Cu基復合材料及其制備方法。
[0005]本發(fā)明的技術方案:
1.本發(fā)明以Ti2SnC為前驅體的超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料，其特征在于:初始原料為微米級的Ti2SnC其體積含量為3?50%，其余為微米級的Cu ;最終產物為亞微米級或納米級打^^顆粒均勾分散在Cu(Sn)基體中，而Cu晶粒也被細化為亞微米級水平；
2.—種以Ti2SnC為前驅體的超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料的制備方法，其特征在于:該方法包括以下步驟:
步驟1，配料:將Ti2SnC粉和Cu粉按以下比例配料:
Ti2SnC = 3 ?50νο1.% ?
Cu = 97 ?50vol.% ；
其中Ti2SnC粉的粒度為5?10 μ m，Cu粉的粒度為50?70 μ m ;
步驟2，混料??每100克上述配料中加入200?400克的瑪瑙球，球磨2?4小時；步驟3，預壓成型:將一定質量的混合粉料裝入鋼模具中，并施加120?250MPa的壓強，使模具中的粉料壓實成型；
步驟4，燒結:將成型后的塊體放入高溫爐中，在氬氣保護下，按10?30°C /min的升溫速率，將爐溫升至1100?1250°C，保溫30?60min，然后以10?30°C /min的速率降溫，冷卻后，即得到超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料。
[0006]本發(fā)明所具有的有益效果:
[0007]本發(fā)明以Ti2SnC為前驅體的超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料，其產物為亞微米級或納米級TiCa5顆粒均勾分散在Cu(Sn)基體中，而Cu晶粒也被細化為亞微米級水平，其復合材料同時具有高強、高延展性和耐磨耐腐蝕的特點。本發(fā)明制備的超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料，其強度和耐磨性隨初始Ti2SnC含量的增加而增加，延展性隨初始Ti2SnC含量的增加而降低；對于本發(fā)明的復合材料的應用，可根據(jù)實際使用要求選取適當?shù)腡i2SnC與Cu的原料配比；本發(fā)明的制備方法具有工藝簡單、操作方便、成本低等顯著特點。
[0008]本發(fā)明的以Ti2SnC為前驅體的超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料具有高強高延展、耐磨損、抗侵蝕等特點，可廣泛應用于軍工裝備、高速鐵路、航空航天等領域，如高強箱殼材料等。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的以Ti2SnC為前驅體的超細陶瓷顆粒TiCa5增強Cu基復合材料的掃描電鏡照片，圖2是將陶瓷顆粒腐蝕后露出的超細Cu晶粒基體的掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0010]實施方式一
稱取純度為98.5%、粒度為5 μ m的Ti2SnC粉2.2克、純度為99.8%、粒度為50 μ m的Cu粉97.8克，混合后加入200克瑪瑙球，球磨混料2小時，將混合粉料裝入Φ 50的鋼模具中，并施加120MPa的壓強，使模具中的粉料壓實成型，將上述塊體放入高溫爐中，在氬氣保護下，按10°C /min的升溫速率，將爐溫升至1100°C，保溫30min，然后以10°C /min的速率降溫，冷卻后，即得到超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料。
測得上述復合材料其TiCa 5顆粒約為200?300nm，Cu晶粒約為0.8?I μ m，復合材料的屈服強度為lOOMPa，壓縮強度為295MPa，延伸率為53%。
[0011]實施方式二
稱取純度為98.5 %、粒度為10 μ m的Ti2SnC粉7.33克、純度為99.8 %、粒度為70 μ m的Cu粉92.67克，混合后加入400克瑪瑙球，球磨混料2小時，將混合粉料裝入Φ76的鋼模具中，并施加250MPa的壓強，使模具中的粉料壓實成型，將上述塊體放入高溫爐中，在氬氣保護下，按20°C /min的升溫速率，將爐溫升至1150°C，保溫45min，然后以30°C /min的速率降溫，冷卻后，即得到超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料。
測得上述復合材料其TiCa 5顆粒約為150?200nm，Cu晶粒約為0.3?0.5 μ m，復合材料的屈服強度為225MPa，壓縮強度為562MPa，延伸率為46%。
[0012]實施方式三
稱取純度為98.5 %、粒度為7 μ m的Ti2SnC粉15.12克、純度為99.8 %、粒度為60 μ m的Cu粉84.88克，混合后加入300克瑪瑙球，球磨混料4小時，將混合粉料裝入Φ50的鋼模具中，并施加200MPa的壓強，使模具中的粉料壓實成型，將上述塊體放入高溫爐中，在氬氣保護下，按30°C /min的升溫速率，將爐溫升至1170°C，保溫60min，然后以20°C /min的速率降溫，冷卻后，即得到超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料。
測得上述復合材料其TiCa 5顆粒約為60?80nm，Cu晶粒約為0.1?0.2 μ m，復合材料的屈服強度為335MPa，壓縮強度為870MPa，延伸率為38%。
[0013]實施方式四
稱取純度為98.5 %、粒度為7 μ m的Ti2SnC粉23.39克、純度為99.8 %、粒度為50 μ m的Cu粉76.61克，混合后加入300克瑪瑙球，球磨混料4小時，將混合粉料裝入Φ50的鋼模具中，并施加200MPa的壓強，使模具中的粉料壓實成型，將上述塊體放入高溫爐中，在氬氣保護下，按20°C /min的升溫速率，將爐溫升至1200°C，保溫40min，然后以20°C /min的速率降溫，冷卻后，即得到超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料。
測得上述復合材料其TiCa 5顆粒約為80?lOOnm，Cu晶粒約為0.2?0.3 μπι，復合材料的屈服強度為483MPa，壓縮強度為1162MPa，延伸率為29%。
[0014]實施方式五
稱取純度為98.5%、粒度為7 μ m的Ti2SnC粉41.6克、純度為99.8%、粒度為50 μ m的Cu粉58.4克，混合后加入400克瑪瑙球，球磨混料4小時，將混合粉料裝入Φ 76的鋼模具中，并施加250MPa的壓強，使模具中的粉料壓實成型，將上述塊體放入高溫爐中，在氬氣保護下，按15°C /min的升溫速率，將爐溫升至1250°C，保溫30min，然后以10°C /min的速率降溫，冷卻后，即得到超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料。
測得上述復合材料其TiCa 5顆粒約為150?200nm，Cu晶粒約為0.5?0.7 μ m，復合材料的屈服強度為662MPa，壓縮強度為1080MPa，延伸率為10.2%。
【主權項】
1.一種以Ti2SnC為前驅體的超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料，其特征在于:初始原料為微米級的Ti2SnC其體積含量為3?50%，其余為微米級的Cu ;最終產物為亞微米級或納米級的TiCa5顆粒均勾分散在Cu(Sn)基體中，而Cu晶粒也被細化為亞微米級水平。2.—種以Ti 2SnC為前驅體的超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料的制備方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 步驟1，配料:將Ti2SnC粉和Cu粉按以下比例配料:Ti2SnC = 3 ?50νο1.% ?Cu = 97 ?50vol.% ； 其中Ti2SnC粉的粒度為5?10 μ m，Cu粉的粒度為50?70 μ m ; 步驟2，混料??每100克上述配料中加入200?400克的瑪瑙球，球磨2?4小時； 步驟3，預壓成型:將一定質量的混合粉料裝入鋼模具中，并施加120?250MPa的壓強，使模具中的粉料壓實成型； 步驟4，燒結:將成型后的塊體放入高溫爐中，在氬氣保護下，按10?30°C /min的升溫速率，將爐溫升至1100?1250°C，保溫30?60min，然后以10?30°C /min的速率降溫，冷卻后，即得到超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料。
【專利摘要】一種以Ti2SnC為前驅體的超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料及其制備方法。該復合材料采用體積含量為3～50％的微米級Ti2SnC和微米級的Cu為起始原料，反應后生成超細TiC0.5顆粒均勻分散在Cu(Sn)基體中，而Cu晶粒也被細化為亞微米級。該復合材料的制備方法如下：將Ti2SnC粉與Cu粉在球磨機上均勻混合后，在120～250MPa的壓力下成型，放入高溫爐中，氬氣保護，將爐溫升至1100～1250℃，保溫30～60min，冷卻后即得到超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料。本發(fā)明的制備方法具有工藝簡單、操作方便等顯著特點；本發(fā)明的超細陶瓷顆粒超細化Cu基復合材料具有高強、高延展性、耐磨損、抗侵蝕的特點，可廣泛應用于軍工裝備、高速鐵路、航空航天等領域，如高強箱殼材料等。
【IPC分類】C22C9/00, C22C32/00, C22C1/05, C22C1/10
【公開號】CN104911385
【申請?zhí)枴緾N201510385701
【發(fā)明人】黃振鶯, 翟洪祥, 王雅正, 位興民, 蔡樂平, 鮑佳蕾, 漆振宇, 歐陽君顏
【申請人】北京交通大學
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年6月30日