張艷麗， 梁寶巖， 劉嘉霖， 李孟洋

(中原工學(xué)院，鄭州 450007)

Ni-Al-Ti-B-金剛石體系自蔓延高溫?zé)Y(jié)的研究

張艷麗， 梁寶巖， 劉嘉霖， 李孟洋

(中原工學(xué)院，鄭州 450007)

摘要：以Ni/Al/Ti/B/金剛石粉體為原料，通過自蔓延高溫反應(yīng)技術(shù)，制備了金剛石復(fù)合材料，在金剛石表面合成了包覆良好的涂層。采用XRD、SEM和EDS對試樣進(jìn)行表征和分析，結(jié)果表明：原料經(jīng)自蔓延高溫?zé)Y(jié)后，生成了AlB2、TiB2、NiAl等化合物；同時，通過調(diào)整原料配比，在金剛石顆粒表面可以形成良好的涂層。

關(guān)鍵詞：自蔓延高溫?zé)Y(jié)；金剛石；涂層

金剛石復(fù)合材料是一種先進(jìn)的磨具材料，與傳統(tǒng)的碳化硅和氧化鋁材料相比，具有耐磨性高、壽命長以及綜合性能高等優(yōu)良特點，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

采用無壓燒結(jié)或熱壓燒結(jié)技術(shù)制備金剛石磨具材料，耗能較高。采用自蔓延高溫合成技術(shù)制備金剛石磨具材料是一種新的研究思路和方法。 自蔓延高溫?zé)Y(jié)技術(shù)(SHS)是利用反應(yīng)原料本身化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量在非常短的時間內(nèi)合成新材料的一種新型技術(shù)[1-2]。與傳統(tǒng)熱壓或無壓燒結(jié)相比，SHS技術(shù)的顯著特點是工藝簡單、能耗低和產(chǎn)品純度高。目前已通過SHS技術(shù)成功合成多種陶瓷及金屬間化合物[3-7]。迄今為止，已有一些通過SHS技術(shù)制備金剛石復(fù)合材料的研究，比如采用Ti-Mo-C、Ti-B、Ti-B-Si、Ti-C-Co等體系，制備了含金剛石的多層梯度耐熱材料[8-10]。

目前，SHS制備 Ni-Al-Ti-B-金剛石的研究還沒有報道。本文主要針對Ni-Al-Ti-B體系，通過添加適量金剛石進(jìn)行SHS燒結(jié)以制備金剛石復(fù)合材料，并重點研究燒結(jié)后金剛石的表面狀態(tài)。

1實驗

實驗所用原料為Ti粉(純度>99.36 %，平均粒度為 53 μm)，Al粉(純度>99.0 %，平均粒度為53 μm)，B粉(純度>99.0 %，平均粒度為2 μm)，Ni粉(純度>99.0 %，平均粒度為53 μm)，金剛石單晶(粒度為200 μm)?；旌戏勰┌促|(zhì)量進(jìn)行配比。手工研磨1 h，在混合粉料中添加適量的金剛石(在試樣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)，再充分研磨1 h以混合均勻。然后，把含金剛石的混合粉末倒入鋼模具中，在壓片機上加壓約100 MPa,制得厚度約為5 mm的圓形坯體。采用等離子體焊機產(chǎn)生高溫以點燃坯體。采用D/MAX2500PC轉(zhuǎn)靶X射線多晶衍射儀對合成的粉末進(jìn)行物相分析(采用Cu kα 輻射)，利用掃描電子顯微鏡結(jié)合能譜儀研究材料的顯微結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分。

2結(jié)果討論

圖1為不同原料配比經(jīng)SHS反應(yīng)得到的試樣的XRD。不同原料配比得到的試樣主相差別比較大。當(dāng)Ni∶Al =1∶1時，產(chǎn)物主相為Al1.1Ni0.9；當(dāng)Ti∶B=1∶2時，產(chǎn)物主相為TiB2。多元體系Ni∶Al∶Ti∶B=1∶1∶1∶1時，產(chǎn)物的主相為AlB2；Ni∶Al∶Ti∶B=2∶2∶1∶2時，產(chǎn)物的主相為NiAl;Ni∶Al∶Ti∶B=3∶3∶1∶2時，產(chǎn)物的主相為NiAl、Ti和Al；Ni∶Al∶Ti∶B=1∶1∶2∶4時，產(chǎn)物的主相為TiB2。

圖1　不同原料經(jīng)SHS反應(yīng)得到試樣的XRD

圖2為當(dāng)Ni∶Al=1∶1時獲得的試樣中的金剛石表面形貌。從圖2可知，金剛石的表面粘附著大量小顆粒，同時金剛石與基體間存在明顯的孔隙。這表明試樣中的金剛石與基體缺乏良好的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金剛石與基體結(jié)合狀況不佳。

圖2　當(dāng)Ni∶Al=1∶1時獲得試樣的金剛石形貌圖

圖3為當(dāng)Ni∶Al∶Ti∶B=1∶1∶1∶1時獲得的試樣斷口形貌圖。圖3(a)為該試樣中金剛石表面的宏觀圖。從圖3(a)中可觀察到：金剛石表面被良好地包裹，但涂層組織不均勻。從圖3(b)可觀察到金剛石表面上存在連續(xù)的涂層，但涂層組織大小不均勻，主要為1 μm左右的小顆粒，同時在其上分布著許多約5 μm的較大顆粒組織。

圖4為當(dāng)Ni∶Al∶Ti∶B=2∶2∶1∶2時獲得的試樣斷口形貌圖。圖4(a)為該試樣斷口宏觀形貌，試樣中金剛石表面形成了明顯的涂層，但其組織非常不均勻。從圖4(b)可觀察到，金剛石的表面組織大小與分布都不均勻，但很好地包裹了金剛石。

(a)

(b)圖3　當(dāng)Ni∶Al∶Ti∶B=1∶1∶1∶1時獲得試樣的斷口形貌圖

(a)

(b)圖4　當(dāng)Ni∶Al∶Ti∶B=2∶2∶1∶2時獲得試樣的斷口形貌圖

圖5為當(dāng)Ni∶Al∶Ti∶B=1∶1∶2∶4時獲得試樣的斷口形貌圖。與以上試樣類似，金剛石表面形成類似的不均勻涂層，很好地包裹了金剛石。

(a)

(b)圖5　當(dāng)Ni∶Al∶Ti∶B=1∶1∶2∶4時獲得試樣的斷口形貌圖

從以上研究可知，采用自蔓延高溫?zé)Y(jié)技術(shù)可制備Ni-Al-Ti-B體系的金剛石復(fù)合材料，在金剛石表面形成不同成分的涂層，但組織不均勻。從實驗結(jié)果可見，金剛石表面生長了一定的涂層組織，但金剛石與基體之間結(jié)合很差，孔隙較大。這主要是由于原料種類較多，生成AlNi、TiB和AlB2等多種物相，物相組元熱膨脹系數(shù)有一定差異，而SHS反應(yīng)溫度比較高、反應(yīng)比較劇烈，導(dǎo)致基體與金剛石之間存在明顯的孔隙。采用本工藝得到疏松的試樣，再經(jīng)過球磨處理，可獲得具有良好涂層的金剛石顆粒。

Ni-Al體系燒結(jié)性較好，但與金剛石結(jié)合性略差[9-10]；而Ti-B體系反應(yīng)放出較多熱量，使金剛石與原料反應(yīng)形成良好的涂層，增強了與基體的結(jié)合，但同時由于反應(yīng)產(chǎn)生的溫度較高，容易使金剛石遭受嚴(yán)重的熱損傷[11]，不利于其應(yīng)用。本研究體系通過控制Ni-Al-Ti-B比例，既保證了在金剛石表面形成良好的涂層，同時也避免了SHS反應(yīng)產(chǎn)生的高溫嚴(yán)重?fù)p傷金剛石。

3結(jié)語

采用Ni/Al/Ti/B/金剛石粉體為原料，通過SHS技術(shù)，制備了多組相金剛石復(fù)合材料。通過調(diào)整原料配比，可改變產(chǎn)物的相組成，生成AlB2、TiB2、NiAl等化合物。同時當(dāng)Ti和B比例適量時，在金剛石顆粒表面可以形成良好的涂層。

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(責(zé)任編輯：席艷君)

Self-propagation High Temperature Sintering from

Ni-Al-Ti-B-diamond System

ZHANG Yan-li， LIANG Bao-yan， LIU Jia-lin， LI Meng-yang

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Abstract:Diamond composites were fabricated by self-propagation high temperature sintering (SHS) from Ni-Al-Ti-B-diamond powders. The samples were analyzed by XRD, SEM with EDS. The result shows that Al-TiB2boned cBN composites are obtained by SHS. The main phases of the products are AlB2, TiB2and NiAl compound phases by SHS from different raw material. With changing of raw materials, good coating is formed on the diamond.

Key words:self-propagation high temperature sintering; diamond; coating

中圖分類號：TU599

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.01.014