碳化鈦基金屬陶瓷的製備應用

一、碳化鈦介紹

碳化鈦（TiC）是一種自身存在金屬光澤的鐵灰色晶體，具有類似金屬的若干特性：如高的熔點、沸點和硬度，且硬度僅次於金剛石，導熱性和導電性也很好，在極低的溫度時還會表現出超導性。因此這種物質常被用於製造金屬陶瓷、硬質合金、耐熱合金、抗磨材料、高溫輻射材料以及其它高溫真空器件等。

圖1.碳化鈦粉末via網絡

二、碳化鈦基陶瓷金屬

碳化鈦陶瓷作為一種典型的過渡金屬碳化物，本身質脆，無法被直接用作工程構件，所以在複合材料中通常被作為增強相，更多的是被用作塗層在材料領域中得到應用和重視，例如碳化鈦基金屬陶瓷的出現。

碳化鈦基金屬陶瓷是一種由金屬或合金TiC陶瓷相所組成的非均質複合材料，兼有陶瓷的高強度、高硬度、耐磨損、耐高溫、抗氧化和化學穩定特性，以及金屬的韌性，可用來製造在還原性和惰性氣氛中使用的高溫熱電偶保護套和熔鍊金屬的坩堝等。

圖2.多孔碳化鈦-鈦金屬陶瓷梯度材料

三、碳化鈦基金屬陶瓷的製備工藝

碳化鈦基金屬陶瓷的合成製備工藝有多種，各有優劣勢，實際生產中可按照不同應用需求、價格因素等選擇適配工藝。

下面簡要介紹幾種：

①化學氣相沉積（CVD）

該法是藉助空間氣相化學反應在基材表面上沉積固態薄膜塗層的工藝技術。因為這個方法整個反應都建立在熱力學的基礎上，所以CVD膜具有附著性和繞鍍性良好、膜層緻密、膜基結合強度高等優點，滿足實現不僅限於TiC之外的例如TiN、TiCN、TiBN等單層及多元多層複合塗層。

此法的缺點在於工藝處理溫度偏高（一般在900~1200℃），高溫使得鋼基體會發生軟化，處理後還需重新真空淬火，工藝較為複雜，工件還易變形，造成基體材料抗彎強度下降；並且製備過程中會產生有害的廢氣、廢液，易造成工業汙染，這與當今國家提倡的綠色工業相牴觸，由此也限制了此法的全面推廣與使用。

②物理氣相沉積（PVD）

該法是利用熱蒸發、濺射或輝光放電、弧光放電等物理過程，在基材表面沉積所需塗層的技術。包括蒸發鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍膜技術。後兩者是目前較普遍採用的製備陶瓷塗層的PVD技術。

與CVD相比，此法屬於綠色薄膜製備技術，不存在環境汙染問題，處理溫度也可降到600℃以下，減少對工件的熱影響，但隨著溫度的降低沉積的膜層結合強度也會低於CVD膜層。

PVD製備膜層通常存在殘餘壓應力，容易因脆性開裂和剝落，再者又屬於視線性處理，附著性和繞鍍性差，處理過程中工件需轉動或擺動，所以增加了真空室的設計難度和無效鍍膜等問題。

③液相沉積

該法是一種溼化學制膜法，基本原理是通過溶液中離子之間的配位體置換，驅動金屬化合物的水解平衡移動，使金屬氧化物或氫氧化物沉積在基體上形成薄膜塗層。該法由於可在低溫/室溫條件下進行膜層沉積，所以製備過程中不需熱處理也不需昂貴的加工設備，操作簡單。

該法的劣勢在於：因實質上仍屬於水溶液中的反應，所以在沉積過程中存在溶液濃度反應前後不一致的情況，液相反應的影響因素也多，工業的穩定性不高。

④熱噴塗

該法是指通過火焰、電弧或等離子體等熱源，將某種線狀或粉末狀的材料加熱至熔化或半熔化狀態，並加速形成高速熔滴，噴向基體在其上形成塗層，可以對材料表面性能進行強化或再生，起到保護作用，且能對因磨損腐蝕或加工超差引起的零件尺寸減小進行恢復。該法包括等離子噴塗、電弧噴塗、火焰噴塗技術。

⑤原位合成法

原位合成法是材料中的第二相或複合材料中的增強相生成於材料的形成過程中，即不是在材料製備之前就有的，而是在材料製備過程中原位就地產生；由於第二相增強顆粒原位合成，界面沒有汙染，第二相分布均勻可以避免傳統粉末冶金工藝和熔煉工藝所遇到的難題。隨著原位複合技術的發展，其應用已拓展到了金屬基和陶瓷基材料中。

⑥其他合成方法

除了以上幾種製備工藝外，還有原位合成法、熔鑄法、粉末冶金法、機械合金化法、熱噴塗、自蔓延高溫合成、高密度能量束塗覆、溶膠——凝膠法、液中放電的電火花表面強化等合成方法。實際工業生產應用中，對於碳化基金屬陶瓷複合材料製備方法的選用，可以根據自身條件和需要來確定。

四、碳化鈦基金屬陶瓷的應用

①切削金屬刀具：新型碳化鈦基金屬陶瓷是近年來發展較快的一種刀具材料，綜合性能高，在相同的切削條件下其耐磨性遠遠高於普通硬質合金。在高速切削時也比YT14、YT15硬質合金的耐磨性高5倍~8倍。目前碳化鈦基金屬陶瓷已製成各種刀片，用於孔的精鏜及「以車代磨」等精加工領域。

②航空航天工業：採用高溫燒結骨架熔滲工藝製備的TiC/Cu金屬陶瓷有較好抗燒蝕性能，具有作為火箭喉襯、護板用材料的潛力。

③其它：用SHS法離心鑄造合成的金屬基內襯陶瓷可作為抗腐蝕管道，用於石油或化工產物、半產物的運輸，也可作為抗磨管道用於礦山，選礦廠作礦漿運輸管道，還可用於多泥砂水的輸水管道……