用氮气无胶囊Hiping制备Al2O3/Ti原料粉末直接制备Al2O3/Tin致密复合材料及其评价

高冈克也，Yagura Hajime，加藤正树和广田健

发表于2011年热等静压国际会议，日本神户，2011年4月12-14日
收稿日期:2011年4月12日，录用日期:2012年1月27日/全文在线发布日期//www.washintong.com

主题

摘要
介绍
实验
制备TiH₂粉
制造基地₂O_3.无胶囊N₂-HIPing
描述的样本
结果与讨论
Ti, TiN的合成_0．30)粉末
微观结构的铝₂O_3./锡复合材料
铝的力学性能₂O_3./锡复合材料
结论
确认
参考文献
详细联系方式

摘要

以铝为组分合成致密复合材料亚博网站下载₂O_3./ TiN = 100 / 0 ~ 90 / 10 vol%₂O_3./ (Ti、锡_0．30)混合粉末粉饼使用无胶囊N₂热等静压(HIP)。细钛粉(直径约0.3 μm)，含TiN_0．30采用热分解法制备了预压细TiH相₂粉末在400°C真空1小时，然后在N₂．然后,艾尔₂O_3./ (Ti、锡_0．30)混合粉末压块均匀分散(Ti,TiN_0．30)，然yabo214后进行hip烧结。在HIPing的第一阶段[1350°C / 6 MPa / 1 h]， (Ti, TiN_0．30)和N₂，两者都包含在粉末压块中，诱导形成TiN。然后，经过第二阶段的HIPing[1350°C / 196 MPa / 2 h]，烧结的复合材料以Al为主₂O_3.与TiN相相比，当孔隙封闭时，相对密度大于98.5%，但HIPing无胶囊。TiN颗粒(0.30 ~ 0.35 μyabo214m)的分散抑制了Al晶粒的生长₂O_3.在烧结。机械性能，如弯曲强度(σ_b)、维氏硬度(H_V)、断裂韧性(K_集成电路)，并以TiN含量为函数评价了其他性能。

介绍

由于金属氮化物具有较高的熔化温度、较高的硬度、较低的密度、较低的电阻率、优异的耐磨性和较高的化学稳定性等综合性能，因此在半导体工业中得到了广泛的应用。在金属氮化物中，氮化钛(TiN)表现出了优异的性能，作为复合材料的组成部分，在切削工具、刀具涂层、微电子器件和太阳能控制薄膜等领域得到了广泛的应用。

有很多关于艾尔的论文₂O_3.-TiN复合材料已经发表，其中亚博网站下载许多是处理Al混合物的烧结₂O_3.和锡粉[2 - 4]。然而，市面上可买到的TiN粉末是由大颗粒组成的，因为TiN具有很高的硬度，不能用传统的研磨工艺将其粉碎成细粉。yabo214因此，在其他无机材料中加入大的TiN颗粒往往会导致原有力学性能的降低，无法预期复合材料性能的提高。亚博网站下载

虽然细Ti粉末需要将细晶粒的TiN分布到基体中，以制备致密的TiN添加复合材料，以提高力学性能，但金属Ti由于其高延展性，不能通过传统的球磨工艺粉碎成细颗粒。另一方面，金属氧化物的还原性反应，如在[5]氢或nhh下热处理，可以得到细小的Ti粉_3.[6] of fine TiO₂．本研究合成了细金属Ti，脆性TiH₂之所以选择这种化合物，是因为它可以被机械压碎。采用TiH预球磨加热法制备了亚微米直径的钛粉₂先是真空，然后是氮气。艾尔₂O_3.在Al中均匀分布细小的Ti粉末，有效地制备了Ti混合粉末坯体₂O_3.．采用高压氮气HIPing无胶囊法对粉末坯体进行致密化，可自由选择烧结坯体的形状和尺寸，使烧结坯体的相对密度达到92 ~ 93%[1]。这个无胶囊的高压N₂HIPing也使金属氮化物形成成为可能，即使这种金属在正常氮下不能氮化₂在高温下的压力。钛和氮同时直接合成氮化钛₂并介绍了烧结材料的烧结性能和力学性能与显微组织的关系。亚博网站下载

实验

制备TiH₂粉

起始粉是TiH₂(TSHT，日本兵库市大阪钛科技有限公司，P₂≤45 μm，纯度~ 99.98%)。这种脆性粉末在氩气中以200转/分的转速，用行星球磨机用直径为10毫米的SUS球粉碎24小时。

制造基地₂O_3.无胶囊N₂-HIPing

细α状态”₂O_3.(TM-DAR, Taimei Chemicals Co.，长野，日本，P ._年代~ 0.10 μm，纯度~ 99.99%)和球磨TiH₂粉末(P_年代~0.3 μm)，并称量成Al₂O_3./ (Ti、锡_0．30) = 100 / 0~89.10 / 10.89质量%，假设所有(Ti,TiN_0．30)在高氮条件下适当加热后转化为TiN₂然后转化成铝的组成₂O_3./ TiN = 100 / 0 ~ 90 / 10 vol%。将复合粉体用研钵和杵在Ar中干混合1 h，然后在真空中400℃热分解1 h，然后在N中200℃热处理1 h₂．复合粉体热分解后，在行星式球磨机中使用部分稳定的氧化锆(PSZ)球(直径1 mm)和甲醇，在700 rpm(离心力约11 g)下搅拌10 min，将其完全混合。粉末在真空中干燥6 h，然后在氩气中冷却。干混合粉末使用单轴模具/柱塞(直径13 mm)在20 MPa下压实，然后在245 MPa下冷等静压(CIP)致密化。艾尔₂O_3./ (Ti、锡_0．30)混合粉末压实件进行hip处理。密集的艾尔₂O_3.采用无胶囊N₂-HIPing(1350°C / 6mpa / 1h +1350°C / 196 Mpa / 2h);这些条件是根据我们的初步实验结果确定的。

描述的样本

通过x射线衍射(XRD)分析(CuKα)鉴定样品的晶相₁辐射与石墨单色仪，Rint 2200, Rigaku，大阪，日本)。用阿基米德法测定了烧结样品的体积密度。采用场发射型扫描电子显微镜(FE-SEM, JSM-7001FD, JEOL Ltd.， Tokyo, Japan)对试样断口进行微观组织观察，采用截距法[8]测定试样的平均晶粒尺寸。经晶相鉴定后，测试棒(~ 3×3.5×11 mm^3.)，并用金刚石切割刀片从烧结材料上切割下来，然后用金刚石膏(公称粒径1-3 μm)将其四边抛光成镜面。亚博网站下载

然后是三点弯曲强度σ_b采用碳化钨夹具对交叉头速度0.5 mm/min和跨度8 mm进行评估。维氏硬度H_V断裂韧性K_集成电路压痕断裂法(IF)采用Niihara的[9]方程。

结果与讨论

Ti, TiN的合成_0．30)粉末

TiH的XRD谱图₂测量(a)球磨和(b)脱氢后的粉末。球磨后TiH的主要XRD峰_1.924(JCPDS#25-0983)和少量Ni-Cr-Fe (JCPDS#35-0983)相;后一相为磨球过程中不锈钢容器和球的杂质。在400°C真空脱氢1小时得到Ti (JCPDS#44-1294)和TiN的混合物_0．30(JCPDS # 41 - 1352);低温热处理₂形成了TiN_0．30Ti / TiN的摩尔比_0．30~ 4 / 6，由XRD强度估算。图1为TiH的SEM照片₂经过球磨和Ti和TiN的混合物_0．30脱氢后，两种样品的粒径均在0.3 μm左右。

图1所示。TiH的SEM照片₂球磨后，试样由Ti和TiN组成_0．30使脱氢之后。

图2。(a)一种混合粉末(Al₂O_3./ (Ti、锡_0．3(b)预烧结坯(1350°C/6 MPa/1 h)，其成分与Al相对应₂O_3./镀锡卷% = 90/10。

微观结构的铝₂O_3./锡复合材料

混合粉末(Al₂O_3./ Ti /锡_0．3)的含量从2.28 Mg/m单调增加到2.34 Mg/m^3.随着Ti/ TiN的增加_0．3)的内容。相对密度由理论密度(3.987、4.503和4.715 Mg/m)计算得到^3.)的阿尔₂O_3.(JCPDS#46-1212)、Ti (JCPDS#44-1294)和TiN_0．3(JCPDS#41-1352)，假设Ti/ TiN的比值_0．3为~ 4 / 6，从57.2%略微增加到57.8%(图2(a))。然后在6mpa (1 h)的高氮气压力下，在1350°C下对致密粉末进行加热，然后在196mpa (1 h)下对致密粉末进行加热₂-HIPing。

后1^圣HIPing(1350°C / 6 M / 1 h)，样品对应于Al的组成₂O_3./ TiN = 100 / 0,95 / 5和90 / 10 vol%从视点进行评估;结果表明，Ti和TiN的晶相变化、微观结构发展和相对密度均与TiN的形成有关_0．3相对密度≥92 ~ 93%的预烧结体只含有封闭的气孔。1 .粉末致密体和预烧结体的XRD谱图(图3，左)对应于90 / 10 vol%^圣HIPing分别揭示了前一契约由Al组成₂O_3.， Ti和TiN_0．3然而，后者是阿尔₂O_3.TiN和少量Al_0.54“透明国际”_2.46N_0.28O_4.58(JCPDS#42-1279)，证明了(Ti/ TiN)之间的固气反应生成TiN_0．3)和6mpa - n₂．预烧结体的相对密度为97.5%(100/0体积%，体密度为3.89 Mg/m)^3.)， 95.5% (95/5 vol%， 3.87 Mg/m^3.)， 94.5% (90/10 vol%， 3.90 Mg/m^3.图2(b))₂O_3.和锡，而不尊重铝_0.54“透明国际”_2.46N_0.28O_4.58．这些数据支持了这样的观点，即在HIPing混合粉末坯体的第一阶段将转变为没有气孔的预烧结体，由铝组成₂O_3.基体和TiN析出，然后2^nd在高氮条件下，预烧结体会形成致密的复合材料亚博网站下载₂在1350°C的相同温度下。

测量了HIP烧结体(图3，右)的XRD谱图;在Al范围内，结晶相变化不大₂O_3./ TiN = 100 / 0 ~ 90 / 10 vol%，而WC和Al_0.54“透明国际”_2.46N_0.28O_4.58被检测为杂质。用超硬WC-Co杵臼粉碎致密烧结材料时，认为前者杂质混入了样品中，后者则是由Al之间的固相反应引起的亚博网站下载₂O_3.、锡_0．3和表面吸附氧气的活性钛。烧结坯体密度从3.97 Mg/m变化到4.07 Mg/m^3.随着TiN含量的增加。相对密度由99.6降低到98.6%;这些相对密度是用3.987 Mg/m的理论密度计算出来的^3.(艾尔₂O_3.)和5.388 Mg/m^3.(TiN: JCPDS#38-1420)，计算值为15.66 Mg/m^3.(WC: JCPDS#25-1047)和0.978 Mg/m^3.(艾尔_0.54“透明国际”_2.46N_0.28O_4.58: JCPDS#42-1279)由于数量较少而被忽略。相对密度的降低可以解释为Al的致密化受到抑制₂O_3.TiN的存在导致Al晶粒尺寸减小₂O_3.，后面将对此进行描述。

图4为制备的Al断口的SEM照片₂O_3./ TiN = 100 / 0 ~ 90 / 10 vol%复合材料经无胶囊N₂-HIPing(1350°C / 6 MPa / 1 h-1350°C / 196 MPa / 1 h);组织均匀，由小铝组成₂O_3.基体晶粒和细小的TiN颗粒分布在Al上yabo214₂O_3.观察到晶界。铝晶粒生长异常₂O_3.在所有的样品中没有识别出基体晶粒，表明均匀的细小TiN颗粒控制了Al的晶粒长大yabo214₂O_3.在臀部。从这些SEM照片中可以看出，G_年代的阿尔₂O_3.和TiN估计:G_年代的阿尔₂O_3.从2.0 μm逐渐减小到1.3~1.4 μm_年代在0.4 μm范围内，TiN的尺寸在0.3 ~ 0.3之间几乎是恒定的，很明显，该尺寸与TiN相同_0．3和Ti为原料。亚博网站下载烧结坯体密度随TiN含量的增加而单调增加，相对密度由99.6降低到98.6%;尽管使用的是无胶囊HIPing。

铝的力学性能₂O_3./锡复合材料

图5显示了(a)三点弯曲强度σ_b， (b)维氏硬度H_V(c)断裂韧性K_集成电路的阿尔₂O_3./ TiN复合材料。亚博网站下载强度σ_b随着TiN含量的增加，Al₂O_3./ TiN = 97 / 3 vol%，从~525到640 MPa，再到s_b值降至约510 MPa。这一趋势可以解释为在100/0 ~ 97/3 vol%组成范围内，相对密度几乎与99.3%相当，而G_年代的阿尔₂O_3.从2.0 μm逐渐减小到1.3 μm。

(一)

(b)

图3。离开;(a)粉末坯体和(b)预烧结体的XRD谱图^圣臀部。对的;Al的XRD谱图₂O_3./TiN材亚博网站下载料的组成为100/0~90/10 vol%₂HIPing(1350°C/6 MPa/1 h)-(1350°C/196 MPa/1 h)。

因此，强度的增加是由于Al的降低₂O_3.晶粒尺寸。维氏硬度H_V断裂韧性K_集成电路增加到Al₂O_3./ TiN = 95 / 5 vol%组成，然后有轻微下降的趋势;H的最大值_V和K_集成电路19.5 GPa和4.5 MPam^1／2,分别。这些数据被认为与(σ)相比有一点改善_b= 457 MPa, H_V= 19.2的绩点,K_集成电路= 4.43 MPa•m^1／2)用于单片铝₂O_3.本研究制作。H的值_V和K_集成电路为艾尔₂O_3.分别为18-23 GPa和2.7-4.2 MPa•m^1／2[10]， TiN薄膜或陶瓷的[10]为16-20 Gpa, 3.46 MPa•m^1／2分别[11]。然而，到目前为止，由于TiN的烧结性能较差，并且TiN本身被用作薄膜，有关TiN的力学性能的信息很少。从这些数据可以看出，复合材料的力学行为与它们的相对密度和基体Al的晶粒尺寸密切相关₂O_3.．

图4。铝材料断口的SEM照片₂O_3./TiN复合材料。

图5。铝的力学性能₂O_3./TiN复合材料(a)抗弯强度σ_b， (b)维氏硬度H_V， (c)断裂韧性K_集成电路为TiN含量的函数。

结论

高致密烧结铝₂O_3.用该复合粉末制备了相对密度达98%以上的复合材料₂O_3./ (Ti、锡_0．30采用无胶囊高压烧结法直接压实₂-HIPing。亚博网站下载材料的成分为Al₂O_3./ TiN = 97 / 3和95 / 5 vol%由均匀的Al组成₂O_3.(2.0 ~ 1.3 μm)基体和细小的TiN颗粒(~0.3 μm)yabo214均匀分布在Al基体上₂O_3.晶界比整体氧化铝具有更高的力学性能。从本研究的结果中，我们可以清楚地看到，通过应用无胶囊氮₂该工艺为含金属氮化物工程陶瓷的制备提供了一种低成本、操作简便、操作时间短的方法，即使在常规条件下也难以合成金属氮化物。因此，制备金属氮化物具有广阔的应用前景。

确认

作者谨此感谢日本志贺县工业研究中心藤井博士提供的球磨细TiH₂粉末。

参考文献

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详细联系方式

高冈克也，Yagura Hajime，加藤正树和广田健
同志社大学理工科学院分子化学与生物化学系，日本京都田边610-0321亚博老虎机网登录

论文发表在《材料与材料加工技术进展》，13[2](2011)93-98。亚博网站下载