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Ti/C_(0.36)N_(0.64)为原料合成Ti(C,N)及相关化合物的研究

穆云超  
【摘要】:本论文采用三聚氰胺热解物固态(C_(0.36)N_(0.64))粉末为碳和氮源,通过燃烧合成法和机械合金化法及放电等离子烧结技术,制备了Ti(C,N)化合物及相关材料,并系统地研究了其形成机制和基本理化特性。 借助于三聚氰胺热解法制备了一种具有乱层石墨结构的固态碳氮(C_(0.36)N_(0.64))粉末,其成分为36.0at%C、63.5at%N和0.5at%H,不含O等杂质元素;热分析表明该碳氮粉末分解温度为600~800℃。该碳氮粉末是制备Ti(C,N)的理想固态氮源和碳源。 采用Ti和(C_(0.36)N_(0.64))粉末为原料,探索了热爆反应合成Ti(C,N)化合物的可行性,结果表明产物中Ti(C,N)含量较低。分析认为是由于热爆反应速率较低,且反应体系处于开放空间,使(C_(0.36)N_(0.64))粉末挥发严重,导致合成产物中Ti(C,N)较少。利用化学炉法引发的二次热爆过程可促进Ti(C,N)的形成,获得的合成产物主相为Ti(C,N)和TiN。 利用自蔓延高温反应法(SHS),以Ti/C_(0.36)N_(0.64)为原料成功制备了纯相的Ti(C_(0.30)N_(0.70))化合物粉末,粉体的平均粒径为3μm。采用淬熄技术系统研究了Ti(C,N)化合物的SHS法形成机理,结果表明:随温度升高C_(0.36)N_(0.64)粉末分解形成N2和C2N2等气体,进而Ti与N2反应生成TiN和Ti_2N,过程中放出大量的热,促使大量的Ti与C2N2反应生成Ti(C,N),以及前期生成的Ti_2N和TiN或Ti与C_(0.36)N_(0.64)粉末直接反应,生成Ti(C,N)。各种反应交织进行,最后获得单相的Ti(C,N)。分别采用SHS和热爆两种方法,研究了Al/C_(0.36)N_(0.64)、V/C_(0.36)N_(0.64)和Ti/Al/C_(0.36)N_(0.64) 体系的反应过程。SHS研究表明:Al/C_(0.36)N_(0.64)和V/C_(0.36)N_(0.64)体系可以分别获得三元铝碳氮和V(C,N)。Ti/Al/C_(0.36)N_(0.64)体系产物为Ti_2Al(C,N)-Ti_(19)Al_(16),Ti3Al(C,N)2-Ti(C,N)和AlN-Ti(C,N)等复合化合物;利用热爆法对Al/C_(0.36)N_(0.64)和Ti/Al/C_(0.36)N_(0.64)体系处理,其产物分别以AlN和Ti_2Al(C,N)-TiAl为主相。采用放电等离子热压烧结(SPS)法制备了Ti(C,N),研究结果表明:SPS合成 Ti(C,N)的反应路径为:Ti+C_(0.36)N_(0.64)→Ti过饱和固溶体→TiC+TiN→Ti(C,N)以及Ti+C_(0.36)N_(0.64)→Ti过饱和固溶体→Ti(C,N)。通过机械球磨法(MA),以Ti/C_(0.36)N_(0.64)为原料成功制备出纳米Ti(C,N),利用获得 的纳米Ti(C,N)进行SPS烧结,在1600℃得到致密度98%的细晶Ti(C,N)块体材料,其硬度和抗折强度分别为17GPa和700MPa。 利用C0.36N0.64粉末、Ti和Al粉作为结合剂,以热爆烧结法成功制备出包含20%金刚石或c-BN的,以TiAl-Ti_2Al(C,N)为基的致密复合块体材料,微观形貌观察表明金刚石或c-BN晶粒与TiAl-Ti_2Al(C,N)基体结合紧密,为进一步开发新型超硬材料工具提供了参考。


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