碳化钛基金属陶瓷的制备应用

一、碳化钛介绍

碳化钛（TiC）是一种自身存在金属光泽的铁灰色晶体，具有类似金属的若干特性：如高的熔点、沸点和硬度，且硬度仅次于金刚石，导热性和导电性也很好，在极低的温度时还会表现出超导性。因此这种物质常被用于制造金属陶瓷、硬质合金、耐热合金、抗磨材料、高温辐射材料以及其它高温真空器件等。

图1.碳化钛粉末via网络

二、碳化钛基陶瓷金属

碳化钛陶瓷作为一种典型的过渡金属碳化物，本身质脆，无法被直接用作工程构件，所以在复合材料中通常被作为增强相，更多的是被用作涂层在材料领域中得到应用和重视，例如碳化钛基金属陶瓷的出现。

碳化钛基金属陶瓷是一种由金属或合金TiC陶瓷相所组成的非均质复合材料，兼有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定特性，以及金属的韧性，可用来制造在还原性和惰性气氛中使用的高温热电偶保护套和熔炼金属的坩埚等。

图2.多孔碳化钛-钛金属陶瓷梯度材料via网络

三、碳化钛基金属陶瓷的制备工艺

碳化钛基金属陶瓷的合成制备工艺有多种，各有优劣势，实际生产中可按照不同应用需求、价格因素等选择适配工艺。

下面简要介绍几种：

①化学气相沉积（CVD）

该法是借助空间气相化学反应在基材表面上沉积固态薄膜涂层的工艺技术。因为这个方法整个反应都建立在热力学的基础上，所以CVD膜具有附着性和绕镀性良好、膜层致密、膜基结合强度高等优点，满足实现不仅限于TiC之外的例如TiN、TiCN、TiBN等单层及多元多层复合涂层。

此法的缺点在于工艺处理温度偏高（一般在900~1200℃），高温使得钢基体会发生软化，处理后还需重新真空淬火，工艺较为复杂，工件还易变形，造成基体材料抗弯强度下降；并且制备过程中会产生有害的废气、废液，易造成工业污染，这与当今国家提倡的绿色工业相抵触，由此也限制了此法的全面推广与使用。

②物理气相沉积（PVD）

该法是利用热蒸发、溅射或辉光放电、弧光放电等物理过程，在基材表面沉积所需涂层的技术。包括蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜技术。后两者是目前较普遍采用的制备陶瓷涂层的PVD技术。

与CVD相比，此法属于绿色薄膜制备技术，不存在环境污染问题，处理温度也可降到600℃以下，减少对工件的热影响，但随着温度的降低沉积的膜层结合强度也会低于CVD膜层。

PVD制备膜层通常存在残余压应力，容易因脆性开裂和剥落，再者又属于视线性处理，附着性和绕镀性差，处理过程中工件需转动或摆动，所以增加了真空室的设计难度和无效镀膜等问题。

③液相沉积

该法是一种湿化学制膜法，基本原理是通过溶液中离子之间的配位体置换，驱动金属化合物的水解平衡移动，使金属氧化物或氢氧化物沉积在基体上形成薄膜涂层。该法由于可在低温/室温条件下进行膜层沉积，所以制备过程中不需热处理也不需昂贵的加工设备，操作简单。

该法的劣势在于：因实质上仍属于水溶液中的反应，所以在沉积过程中存在溶液浓度反应前后不一致的情况，液相反应的影响因素也多，工业的稳定性不高。

④热喷涂

该法是指通过火焰、电弧或等离子体等热源，将某种线状或粉末状的材料加热至熔化或半熔化状态，并加速形成高速熔滴，喷向基体在其上形成涂层，可以对材料表面性能进行强化或再生，起到保护作用，且能对因磨损腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行恢复。该法包括等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂技术。

⑤原位合成法

原位合成法是材料中的第二相或复合材料中的增强相生成于材料的形成过程中，即不是在材料制备之前就有的，而是在材料制备过程中原位就地产生；由于第二相增强颗粒原位合成，界面没有污染，第二相分布均匀可以避免传统粉末冶金工艺和熔炼工艺所遇到的难题。随着原位复合技术的发展，其应用已拓展到了金属基和陶瓷基材料中。

⑥其他合成方法

除了以上几种制备工艺外，还有原位合成法、熔铸法、粉末冶金法、机械合金化法、热喷涂、自蔓延高温合成、高密度能量束涂覆、溶胶——凝胶法、液中放电的电火花表面强化等合成方法。实际工业生产应用中，对于碳化基金属陶瓷复合材料制备方法的选用，可以根据自身条件和需要来确定。

四、碳化钛基金属陶瓷的应用

①切削金属刀具：新型碳化钛基金属陶瓷是近年来发展较快的一种刀具材料，综合性能高，在相同的切削条件下其耐磨性远远高于普通硬质合金。在高速切削时也比YT14、YT15硬质合金的耐磨性高5倍~8倍。目前碳化钛基金属陶瓷已制成各种刀片，用于孔的精镗及“以车代磨”等精加工领域。

②航空航天工业：采用高温烧结骨架熔渗工艺制备的TiC/Cu金属陶瓷有较好抗烧蚀性能，具有作为火箭喉衬、护板用材料的潜力。

③其它：用SHS法离心铸造合成的金属基内衬陶瓷可作为抗腐蚀管道，用于石油或化工产物、半产物的运输，也可作为抗磨管道用于矿山，选矿厂作矿浆运输管道，还可用于多泥砂水的输水管道……

碳化钛陶瓷作为一种典型的过渡金属碳化物，本身质脆，无法被直接用作工程构件，所以在复合材料中通常被作为增强相，更多的是被用作涂层在材料领域中得到应用和重视，例如碳化钛基金属陶瓷的出现。随着原位复合技术的发…