Ti_(3)SiC_(2)陶瓷材料制备方法研究进展

作为MAX相家族重要成员,钛硅化碳Ti_(3)SiC_(2)除了具有耐高温、抗氧化性能外,还具有与金属类似的优异导电性、导热性和可加工性,在电接触材料、热交换器构件材料、润滑材料等领域展现出较大的应用潜力,成为当前一种备受关注的新型陶瓷材料。现有的Ti_(3)SiC_(2)制备方法主要有无压烧结、热压烧结、热等静压、放电等离子烧结、前驱体转换陶瓷、反应熔体浸渗法、熔盐法、化学气相沉积、物理气相沉积等。本文首先阐述了Ti_(3)SiC_(2)材料的结构与性能,然后重点综述了国内外Ti_(3)SiC_(2)陶瓷材料的制备方法,最后展望了Ti_(3)SiC_(2)陶瓷材料的应用前景。

Ti_(3)SiC_(2)基复合材料的研究进展

Ti_(3)SiC_(2)作为一种新型金属陶瓷材料,集金属和陶瓷特性于一身,如具有高热导率、高熔点、高屈服强度、良好的热稳定性、高弹性模量、优异的抗热震性等。但纯Ti_(3)SiC_(2)材料在高于1100℃时抗氧化性较差,同时由于高温塑性变形导致其在高温下的强度降低,其使用范围受到限制。目前,一般通过引入增强相来制备综合性能优异的Ti_(3)SiC_(2)基复合材料。重点综述了近年来Ti_(3)SiC_(2)基复合材料的研究现状,分析了常见的几种Ti_(3)SiC_(2)基复合材料的制备方法、增强相及复合材料的各项性能,并提出了进一步的发展方向。

前驱体转化陶瓷法制备Ti_(3)SiC_(2)陶瓷及其热稳定性研究

Ti_(3)SiC_(2)具有良好的高温稳定性,可作为改性材料来提高C/C复合材料的抗氧化性能,应用潜力巨大。本工作以钛粉和液态聚碳硅烷(Liquid Polycarbosilane,LPCS)作为原料,采用前驱体转化陶瓷(Polymer Derived Ceramics,PDC)法在1200、1300、1400、1500℃下制备了四种相含量的Ti_(3)SiC_(2)陶瓷,研究了烧结温度对其物相组成及形貌的影响,以及不同Ti_(3)SiC_(2)相含量对陶瓷材料的抗氧化和抗热震性能的影响。结果表明,在Ti:Si物质的量比为3:1.5,烧结温度为1300、1400、1500℃条件下,均有层状结构的Ti_(3)SiC_(2)生成。当烧结温度为1400℃时,陶瓷产物中Ti_(3)SiC_(2)质量分数达到92.10%,抗弯强度达172.68 MPa。在1300℃静态空气环境下氧化7 h,陶瓷氧化增重随Ti_(3)SiC_(2)相含量增大而逐渐降低,这是由于氧化过程中材料表面生成了以TiO_(2)为主相的保护膜,有效延缓了氧气向内部扩散。对试样进行1300℃空气热震和抗弯强度测试发现,随着热震次数的增加,所有材料的残余强度均有所下降;但随着Ti_(3)SiC_(2)相含量增大,试样的抗热震性能和残余强度均提高。Ti_(3)SiC_(2)相质量分数为92.10%的试样经过30次热震后失重30.66%,残余强度为120.18 MPa,这主要归因于层状结构的Ti_(3)SiC_(2)大幅增加了裂纹扩展路径及其良好的抗氧化性能。

Ni-Al辅助微波自蔓延烧结制备Ti_(3)SiC_(2)基金刚石复合材料工艺研究

为降低金刚石磨削工具的制造成本和能耗,探寻一种在低能耗下实现高性能陶瓷结合剂金刚石磨具的制备工艺,同时研究助燃剂Si和金刚石粒度等因素对样品物相组成、显微形貌和磨削性能的影响。采用Ti、Si、石墨粉和金刚石磨料作为原料,经冷压成型至生胚,通过Ni-Al辅助在微波场加热诱发Ti-Si-C体系发生自蔓延高温合成(SHS)反应以制备Ti_(3)SiC_(2)基金刚石复合材料。结果表明,高热值Ni-Al合金辅助可以缩短样品的烧结时间,还可以将诱发SHS反应的温度点控制在金刚石石墨化温度以下。在Ar保护气氛下,Ti-Si-C体系发生SHS反应,可生成Ti_(3)SiC_(2)、TiC和Ti5Si3等3种物相。随Si含量升高,Ti_(3)SiC_(2)相先增多后减少,当n(Ti):n(Si):n(C)=3∶1.1∶2时,复合材料的磨削性能最佳,磨耗比最高可达286.53。分析不同原料配比下的试样磨耗比差异的产生机制,认为基体组织中存在微小且分布均匀的气孔结构,在磨削时可产生大区域的平整磨削面,易于发挥金刚石磨料的磨削效果,有利于提升复合材料样品的磨削性能。

La_(2)O_(3)掺杂Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的制备与性能

铜合金作为热管理材料长期服役时,会出现冷-热循环条件下的结构性失效问题,因此考虑将具有低膨胀系数的MAX相材料引入到铜合金中,来降低复合材料的热膨胀性。Ti_(3)SiC_(2)是一种兼具陶瓷和金属的优良特性的三元层状陶瓷材料,具有自润滑、高韧性、高导电性等特点。作为增强相,Ti_(3)SiC_(2)能够提高Cu基复合材料的摩擦性能,降低复合材料的热膨胀系数,因此被应广泛用于电子封装材料、热管理材料等领域。本文将稀土氧化物La_(2)O_(3)引入到Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料中,研究了La_(2)O_(3)掺杂含量对Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料物相组成、表面形貌、显微硬度和摩擦因数等的影响。研究发现,利用热压烧结技术能够获得致密度较高的Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料,相对密度在98.5%以上。适量掺杂La_(2)O_(3)后,Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的显微硬度有所增加,能够实现Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的弥散强化。随着La_(2)O_(3)掺杂量增加,Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的摩擦因数呈现出先降低后增加的趋势。在Cu基复合材料中添加Ti_(3)SiC_(2),能够起到润滑的作用,有利于降低摩擦因数。本研究可为Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的工程应用提供试验依据。

煤油流量对HVOF喷涂FeCrMoSi-Ti_(3)SiC_(2)涂层高温摩擦磨损性能的影响

目的提高燃煤锅炉四管的耐磨性能。方法使用喷雾造粒技术制备FeCrMoSi/Ti_(3)SiC_(2)复合粉末,并利用超音速火焰喷涂技术(HVOF)在12CrMoV基体上制备煤油流量分别为26、28、30、32 L/h的复合涂层。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)及其自带的能谱仪(EDS)、Raman、维氏显微硬度计和摩擦磨损试验机研究FeCrMoSi/Ti_(3)SiC_(2)粉末及其涂层相组成、组织结构,检测涂层的力学性能,并对涂层在800℃下的摩擦学性能和磨损机理进行系统分析。结果粉末物相主要由Ti_(3)SiC_(2)、Fe-Cr和TiC组成,涂层的物相与粉末类似,但是新产生了SiC相,且随着煤油流量的升高,Ti_(3)SiC_(2)物相逐渐分解。当煤油流量为30、32 L/h时,涂层内Ti_(3)SiC_(2)物相大量分解。涂层的硬度和断裂韧性随着煤油流量的升高表现出先升高、后降低的趋势,孔隙率和磨损率呈现先减小、后增大的趋势。当煤油流量为28 L/h时,涂层磨损率最低,约为5.44×10^(-15)m^(3)/(N·m)。结论煤油流量为28 L/h时,涂层表面生成的SiO_(2)、TiO_(2)和Fe_(2)O_(3)等氧化物均匀分布在磨痕和对偶球表面,有效阻挡了对偶球和涂层的直接接触,使得涂层显示出最优异的摩擦学性能。涂层的主要磨损机制为氧化磨损和黏着磨损。

激光熔覆Co-2%Ti_(3)SiC_(2)复合涂层在不同温度及载荷下的摩擦学性能

为了提高304不锈钢的耐磨减摩性能,采用激光熔覆技术在其表面制备了Co-2%Ti_(3)SiC_(2)复合涂层。通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对Co-2%Ti_(3)SiC_(2)复合涂层的微观结构进行表征,并分析了304不锈钢基体与Co-2%Ti_(3)SiC_(2)复合涂层在等温摩擦实验(25和600℃)中不同载荷(2、5和8 N)下的摩擦学性能和磨损机理。结果表明:Co-2%Ti_(3)SiC_(2)复合涂层主要由γ-Co固溶体,硬质相Fe_(2)C、Cr_(7)C_(3)和TiC及润滑相Ti_(3)SiC_(2)组成。Co-2%Ti_(3)SiC_(2)复合涂层的平均显微硬度为358.61 HV0.5,约是304不锈钢基体(239.32 HV0.5)的1.5倍。在等温摩擦实验中,Co-2%Ti_(3)SiC_(2)复合涂层的磨损率均随着载荷的增加而减少,而摩擦系数在室温下随载荷的增加先增大后减小,在高温(600℃)下随载荷的增加而减小。在不同温度及载荷下,Co-2%Ti_(3)SiC_(2)复合涂层的磨损机理略有不同。

放电电压对Ag-30vol%Ti_(3)SiC_(2)复合材料电弧烧蚀性能的影响

采用热压烧结法制备Ag-30vol%Ti_(3)SiC_(2)复合材料,Ti_(3)SiC_(2)颗粒均匀分布于Ag基体上,无团聚和扩散现象。分别在3、6、8和10 kV的放电电压下,对Ag-30vol%Ti_(3)SiC_(2)复合材料进行了电弧烧蚀试验。结果表明,随着放电电压的增加,电弧能量增加,电弧扩散更加明显,烧蚀面积逐渐增大,烧蚀坑越来越深。Ag-30vol%Ti_(3)SiC_(2)材料表面形成喷溅、凸起、气孔和“龟裂”的显微形貌。经过电弧烧蚀后,Ag-30vol%Ti_(3)SiC_(2)复合材料发生分解,并氧化生成AgO、Ag_(2)O、SiO_(2)和TiO_(2)。

多孔结构Ti_(3)SiC_(2)材料的制备工艺研究

以Ti_(3)SiC_(2)粉末为原料,聚乙烯亚胺为分散剂,去离子水为分散介质,聚氨酯海绵为多孔模板,系统地研究了分散剂对浆料pH的影响以及pH对Ti_(3)SiC_(2)水基浆料稳定性的影响。采用有机浸渍法制备多孔Ti_(3)SiC_(2)预制体,对多孔Ti_(3)SiC_(2)材料孔隙率和物相进行分析,可知水基浆料中含质量分数为30%的Ti_(3)SiC_(2)样品的性能最佳,其总孔隙率为66%,比表面积为90%,材料以闭口型小孔为主。

金属氧化物对Ag-Ti_(3)SiC_(2)复合材料润湿性的影响研究

采用热压烧结法制备Ag-Ti_(3)SiC_(2)-MeO复合材料。体积分数为Ag-20%Ti_(3)SiC_(2)-10%MeO(La_(2)O_(3)、Bi_(2)O_(3)、CeO_(2)和In_(2)O_(3))的致密度分别为92.3%、99.44%、89.56%和91.4%。体积分数为Ag-20%Ti_(3)SiC_(2)-5%MeO(La_(2)O_(3)、Bi_(2)O_(3)、CeO_(2)和In_(2)O_(3))致密度分别为96.82%、98.87%、92.79%和95.55%。增加MeO有助于提高Ag-Ti_(3)SiC_(2)-MeO复合材料的润湿性,Ag-20%Ti_(3)SiC_(2)-5%MeO(La_(2)O_(3)、Bi_(2)O_(3)、CeO_(2)和In_(2)O_(3))的接触角分别为60.4°、60.5°、66°和51°。

Inconel 718合金激光熔覆Stellite3/Ti_(3)SiC_(2)复合涂层摩擦学性能研究

为了探究高温下Inconel 718合金的摩擦学性能,使用激光熔覆制备了三种不同粉末质量配比的复合涂层:Stellite3-5%Ti_(3)SiC_(2)(C1)、Stellite3-10%Ti_(3)SiC_(2)(C2)和Stellite3-15%Ti_(3)SiC_(2)(C3)(均为质量分数),并通过物相分析、组织形貌和显微硬度分析,探究其在室温和600℃条件下的摩擦学行为.结果表明,涂层中主要含有γ-Co、(Fe,Ni)固溶体,金属间化合物Cr_(2)Ni_(3)以及碳化物WCx、TiC和Cr_(7)C_(3),由于硬质相碳化物的存在,涂层的显微硬度提高到基体(262.7 HV_(0.5))的1.6~2.5倍,分别为662.74 HV_(0.5)、521.47 HV_(0.5)和419.44 HV_(0.5),并且摩擦学性能也有所改善,其中室温下效果最好的为C1涂层,摩擦系数降低了20.52%,耐磨性提高了85.45%;600℃下性能最好的为C2涂层,耐磨性提高了79.53%.室温时基体、C1及C2涂层出现塑性变形和磨粒磨损,C3涂层由于硬度较低出现黏着磨损.600℃下各样品均发生氧化磨损,其中氧化、黏着磨损和严重塑性变形为基体的磨损机理,三种涂层由于加入了Ti_(3)SiC_(2)导致磨损减轻,除氧化外主要为磨粒磨损.

Ti_(3)SiC_(2)材料的制备与表征

Ti_(3)SiC_(2)作为一种三元层状可加工金属陶瓷材料,由于其本身的优良性能,已被作为金属基复合材料的强化相而广泛应用。以Ti/Si/C/Al为原料构成,通过预扩散处理与真空无压烧结工艺制备Ti_(3)SiC_(2)材料,利用XRD、SEM等分析合成产物的物相组成和微观结构,研究了预扩散处理对Ti_(3)SiC_(2)原料粉体的影响和烧结温度对制备Ti_(3)SiC_(2)相的影响。结果表明,预扩散处理使原料粉体中各元素充分扩散,活性得以提高,促进了烧结时Ti_(3)SiC_(2)相的形成,降低Ti_(3)SiC_(2)相的形成温度。Ti_(3)SiC_(2)粉体的微观形貌分析,证实了具其层状结构的特征,其单层厚度可达50 nm。

Ti_(3)SiC_(2)涂层的电泳沉积动力学和耐腐蚀性

利用电泳沉积工艺在304不锈钢表面成功制备了三元层状材料Ti_(3)SiC_(2)陶瓷涂层,本实验研究了Ti_(3)SiC_(2)悬浮液的水解行为和分散剂聚乙烯亚胺(PEI)对悬浮液Zeta电位的影响,优化了Ti_(3)SiC_(2)悬浮液的稳定制备和Ti_(3)SiC_(2)涂层的电泳沉积动力学。分析表明,电压越高,水解反应对沉积的影响越大,沉积物的单位面积增重量偏离了Hamaker线性关系,呈抛物线状态。通过扫描电子显微镜(SEM)、3D光学轮廓、开路电位(OCP)、动电位极化和接触角测量,分析了涂层的形貌、耐腐蚀性和疏水性。结果表明:加入15 mg/g的PEI可以获得稳定的悬浮液,且分散剂的加入不影响Ti_(3)SiC_(2)悬浮液的水解行为;带有Ti_(3)SiC_(2)涂层的SS_(3)0_(4)双极板的腐蚀电位提高了435 mV,腐蚀电流密度下降了4个数量级,与水的接触角增加到111.48°,表明Ti_(3)SiC_(2)涂层可以有效地增强SS_(3)0_(4)的耐腐蚀性。

Ti_(3)SiC_(2)替代石墨对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响

Ti_(3)SiC_(2)作为一种新型的金属陶瓷材料,具有良好的导热性、耐腐蚀性与高温抗氧化性。探究在动车组粉末冶金闸片中应用Ti_(3)SiC_(2)替代石墨作为润滑相对摩擦材料性能的影响。在粉末冶金闸片摩擦材料中加入不同含量的Ti_(3)SiC_(2)替代石墨,观察摩擦表面氧化膜的变化,分析Ti_(3)SiC_(2)加入量对摩擦材料力学性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明:随着Ti_(3)SiC_(2)替代石墨加入量的增加,摩擦材料的剪切强度逐渐提高,使用Ti_(3)SiC_(2)替代全部石墨(质量分数18%)时,剪切强度提高了6倍;在350 km/h高速制动时,摩擦表面形成了氧化膜,随着Ti_(3)SiC_(2)加入量的增加,氧化膜的覆盖面积不断增大并呈现连续分布状态;当Ti_(3)SiC_(2)质量分数大于9%后,在高速制动时摩擦材料的摩擦磨损量和摩擦因数明显降低,Ti_(3)SiC_(2)替代全部石墨后摩擦因数降低了36.8%,摩擦磨损量降低了67.5%。

高纯Ti_(3)SiC_(2)粉体制备工艺的研究

以2Ti/xSi/3TiC(x=1.6,1.8,2.0,2.4,3.0)为原料,采用高温固相反应法成功制备了高纯Ti_(3)SiC_(2)粉体。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对制备样品的物相和形貌进行分析,利用差示扫描量热分析(DSC)、热重分析(TG)研究了Ti_(3)SiC_(2)的反应过程和Si的作用机理,利用能谱仪(EDS)和X射线光电子能谱分析仪(XPS)对制备样品的微区成分和化学元素进行了表征分析。结果表明:当Si适度过量(1.6≤x≤2.4)时,有助于Ti_(3)SiC_(2)合成反应的进行,同时Si在合成Ti_(3)SiC_(2)的反应中起着多重作用,其中Ti-Si共晶液相的生成是合成Ti_(3)SiC_(2)的关键。当x=2.0和2.4时,制备Ti_(3)SiC_(2)粉体的纯度高达99.5%以上,平均颗粒粒径约为5μm,分散性良好。

Ti元素对Ti_(3)SiC_(2)在铜基复合材料中的分解抑制研究

三元层状Ti_(3)SiC_(2)陶瓷是一种新型的陶瓷材料,具有密度低、熔点高等特点,作为增强相可以明显改善Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的力学性能和摩擦磨损性能。然而,在烧结过程中Ti_(3)SiC_(2)发生分解,导致复合材料组织与性能发生改变。为了抑制Ti_(3)SiC_(2)的分解,提高复合材料性能,对Ti_(3)SiC_(2)颗粒表面进行多弧离子镀Ti改性,制备了界面性能优良,Ti_(3)SiC_(2)颗粒未分解的复合材料。研究了Ti_(3)SiC_(2)在复合材料的分解和Ti元素对其分解的抑制机理,分析了不同含量Ti_(3)SiC_(2)的复合材料的组织演化。结果表明,对Ti_(3)SiC_(2)表面进行镀覆Ti元素可以有效抑制Ti_(3)SiC_(2)颗粒在铜基复合材料烧结过程中的分解。

烧结温度对Ti_(3)SiC_(2)/SiC陶瓷材料性能的影响

以微米级TiC粉和Si粉为主要原料,Al粉为烧结助剂,采用无压烧结工艺制备Ti_(3)SiC_(2)/SiC陶瓷材料,研究了烧结温度对陶瓷材料显微结构及力学性能的影响。结果表明,随着烧结温度的升高,Ti_(3)SiC_(2)/SiC陶瓷材料的弯曲强度先提高后降低。烧结温度为1500℃的陶瓷材料力学性能最佳,其密度为4.88 g/cm^(-3)。

Ti6Al4V合金激光熔覆Ti_(3)SiC_(2)增强Ni60复合涂层组织与摩擦学性能

为了提高Ti6Al4V合金的耐磨减摩性能,在其表面利用激光熔覆技术制备出两种不同配比的Ti3Si C2/Ni60复合涂层,分别是5%Ti_(3)SiC_(2)+Ni60(N1)和10%Ti_(3)SiC_(2)+Ni60(N2)(均为质量分数),研究了这两种涂层在室温、300和600℃下的微观组织、显微硬度、摩擦学性能表现及相关磨损机理.结果表明:涂层主要由硬质相TiC/TiB/Ti_(x)Ni_(y),γ-Ni固溶体连续相和润滑相Ti_(3)SiC_(2)组成.N1、N2涂层的显微硬度均为基体(350HV_(0.5))的3倍左右,分别为1101.90HV_(0.5)和1037.23HV_(0.5),在室温、300和600℃下的摩擦系数分别为0.39、0.35、0.30和0.41、0.45、0.44,均小于基体的摩擦系数(0.51、0.49、0.47).N1、N2涂层在室温、300和600℃下的磨损率分别为3.07×10^(-5)、1.47×10^(-5)、0.77×10^(-5)mm^(3)/(N·m)和1.45×10^(-5)、0.96×10^(-5)、0.62×10^(-5)mm^(3)/(N·m),均远小于基体[35.96×10^(-5)、25.99×10^(-5)、15.18×10^(-5)mm^(3)/(N·m)].在本文中Ti_(3)SiC_(2)提高了Ti6Al4V合金的耐磨减摩性能,使得N1涂层表现出更好的减摩性能,N2涂层表现出更好的耐磨性能.室温下,磨粒磨损、塑性变形以及轻微的黏着磨损为两种涂层的主要磨损机理;300℃时,塑性变形、氧化磨损和黏着磨损是N1涂层的对应机理,600℃时出现了三体磨粒磨损;在300和600℃时,黏着磨损、氧化磨损及磨粒磨损为N2涂层的主要磨损机理.

Ti_(3)SiC_(2)陶瓷材料的制备及抗烧蚀行为

以固溶少量Al的Ti_(3)SiC_(2)粉体为原料,采用热压烧结工艺制备出致密度大于99%的Ti_(3)SiC_(2)陶瓷块体材料,其硬度、抗弯强度和断裂韧度分别为775HV,520.46 MPa和7.62 MPa·m^(1/2)。对Ti_(3)SiC_(2)块体在无冷却条件下进行抗氧乙炔焰烧蚀实验,结果表明:烧蚀10 s内Ti_(3)SiC_(2)陶瓷保持表面平整,烧蚀25 s内样品未出现宏观裂纹。SEM和XRD观察分析表明,Ti_(3)SiC_(2)陶瓷在高温乙炔焰和氧气的高热流冲击作用下,表面发生分解和氧化,Si和C被氧化为Si-O化物和C-O化物气体逸出,Ti元素被氧化成高温稳定的TiO_(2)金红石相覆盖在表面;氧化层呈3层结构分布,最外层为结构疏松的TiO_(2),次表层则为TiO_(2)和Al_(2)TiO_(5)组成的致密复合层,内氧化层为致密Al_(2)O_(3)富集层,Al_(2)O_(3)来源于固溶在原料Ti_(3)SiC_(2)中Al元素的氧化,并在高温下与TiO_(2)反应生成了Al_(2)TiO_(5)。具有高黏度和高熔点的Al_(2)O_(3)富集层可以有效阻碍O^(2)和热流向基体的扩散,从而降低基体的氧化速率,提高Ti_(3)SiC_(2)材料的抗烧蚀性能。

Ti_(3)C_(2)T_(x)/Ni/TiO_(2)复合粉体的制备及吸波性能研究

采用热处理的方法制备出二维层状Ti_(3)C_(2)T_(x)/Ni/TiO_(2)复合粉体,并利用TG-DSC、SEM、XRD和XPS对样品进行表征分析,通过矢量网络分析仪测试样品的电磁参数并模拟计算不同涂层厚度下样品的反射损耗值(RL)。结果表明:随着热处理温度的升高,样品中TiO2质量含量增加;当热处理温度为300℃时,在频率f=17.5 GHz下样品的RL为-35.2 dB,其有效吸波带宽超过1.7 GHz,对应的涂层厚度为4 mm。其优异的吸波性能一方面来自良好的阻抗匹配,另外一方面来自样品的介电损耗、磁损耗的协同效应。此外,样品的电磁波吸收能力可以通过其组分和微观结构进行调控。