專利名稱：激光誘導自蔓延高溫合成TiNi－TiN梯度材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光誘導自蔓延高溫合成TiNi-TiN梯度材料的方法，具體是一種用激光作為點火熱源，誘導Ti-Ni和Ti-N2兩個體系同時發(fā)生自蔓延反應(yīng)，一次性合成TiNi-TiN梯度材料的方法。
背景技術(shù)：
制備TiNi合金的傳統(tǒng)方法主要有熔鑄法、粉末冶金法和還原擴散法。熔鑄法使用的是塊狀原料，熔煉時成分難以精確控制，易產(chǎn)生偏析，往往要通過多次熔煉和高溫均勻化處理來改善鑄錠的性能，因此成本很高；粉末冶金法生產(chǎn)TiNi合金需要長時間的高溫燒結(jié)，費時、能耗大。而且生產(chǎn)過程難以精確控制，容易導致燒結(jié)坯含氧量增高，加工塑性差；還原擴散法是用還原劑鈣粒、二氧化鈦和鎳粉反應(yīng)來制備TiNi合金，成本高、后處理負擔重，而且對材料和工藝參數(shù)的要求也比較高。
合成TiNi合金后，在TiNi合金表面獲得TiN防護層的方法有氣相沉積法，等離子噴涂法，N離子灌輸法，氣體滲氮法等。這些方法有的工藝復雜，有的成本高昂，而一次完成TiNi-TiN的合成，還無法實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺點，提供一種用激光作為點火熱源，誘導Ti-Ni和Ti-N2兩個體系同時發(fā)生自蔓延反應(yīng)，一次性合成TiNi-TiN梯度材料的方法。
為達到上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案激光誘導自蔓延高溫合成TiNi-TiN梯度材料的方法，包括如下步驟1、按摩爾比為1∶1稱取Ti、Ni金屬粉末，并混合均勻；
Ti粉的純度≥99.0％，細度為200～300目；Ni的純度≥99.5％，細度為200～300目；2、將Ti、Ni混合粉末壓制成圓柱狀試樣，壓制過程中保壓1～4分鐘，優(yōu)選2～3分鐘；壓制壓力為20～50KN；3、將試樣在80～150℃下保溫1～3小時，除去水分與部分氣體；優(yōu)選的溫度為90～110℃，最佳溫度為100℃；保溫時間最佳為2小時；4、將試樣置于反應(yīng)容器的試樣臺上后，封閉容器蓋，以5～10L/min的流量通入氮氣，充氣時間≥2分鐘后，用CO2和Nd:YAG激光點火，誘導自蔓延高溫合成反應(yīng)。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果(1)Ti-Ni和Ti-N2兩個體系同時發(fā)生反應(yīng)，并相互作用，可一次性合成TiNi-TiN梯度材料，簡化合成過程；(2)反應(yīng)產(chǎn)物內(nèi)部含有大量孔洞，孔隙率高達50％；(3)反應(yīng)過程快速高效，反應(yīng)產(chǎn)物中無Ti、Ni純元素相存在；(4)激光加熱方式無接觸、無污染、易控制、加熱及冷卻速率高，易于獲得非平衡相及多缺陷的結(jié)構(gòu)，對于合成某些功能材料具有特殊優(yōu)勢；(5)激光功率易測，其具體加在反應(yīng)物上的能量易于計算，便于進行熱力學及動力學分析；(6)自蔓延高溫合成技術(shù)具有節(jié)能，高效，產(chǎn)物純度高等優(yōu)點，并能制取具有超性能的材料。


圖1為TiNi-TiN梯度材料的制備流程圖；圖2為反應(yīng)容器示意圖；圖3為反應(yīng)產(chǎn)物的X-ray衍射譜；圖4(a)為反應(yīng)產(chǎn)物的SEM照片(×3000)；
圖4(b)為反應(yīng)產(chǎn)物的SEM照片(×5000)；具體實施方式
以下結(jié)合具體實施例來對本發(fā)明作進一步說明。
實施例1本發(fā)明采用的原料為Ti粉和Ni粉，其主要特性如表1所示。
表1 Ti粉和Ni粉的特性

(2)以1∶1的摩爾比配制Ti、Ni金屬粉末，計算混合粉末中Ti、Ni的質(zhì)量百分比Tiwt％1∶1＝47.88/(47.88+58.71)×100％＝44.92％(1)Niwt％1∶1＝58.71/(47.88+58.71)×100％＝55.08％(2)按照計算結(jié)果，用精度為0.01g的電子天平稱取適量Ti、Ni粉末，然后用混粉機(細度30～300目，轉(zhuǎn)速24000r/min)將其混合。每次開機一分鐘，待混粉機的杯體溫度降至室溫時再次開機，如此反復三次，將其混合均勻。
(3)用萬能材料試驗機(型號WE-30，廣州試驗機廠生產(chǎn)，300KN)將Ti、Ni混合粉末(3.4g)壓制成直徑為15mm的圓柱狀試樣，壓制過程中保壓1分鐘，以免試樣變形或者開裂。實驗過程中采用的壓制壓力分別為25KN、30KN、35KN、40KN、45KN、50KN。
(4)為減少外界因素的影響，提高自蔓延反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量，在實驗前應(yīng)烘干試樣，去除水分和部分氣體。所采用的設(shè)備為電熱鼓風干燥箱(溫度波動±1℃，控溫范圍室溫～300℃)，在80℃下保溫1小時。
(5)自蔓延反應(yīng)在反應(yīng)容器(圖2)中進行，將試樣置于試樣臺上適當位置后，封閉容器蓋，通入一定流量(5L/m)的氮氣(99.999％，13.6MPa)。
在此，氮氣兼作保護氣體和反應(yīng)氣體。充氣一段時間(4m)后，用CO2(Pmax＝1500W)和Nd:YAG(Pmax＝700W)激光點火，誘導自蔓延高溫合成反應(yīng)，用精度為0.01秒的秒表記錄點火時間、助燃時間及反應(yīng)時間，從觀察窗觀察反應(yīng)現(xiàn)象。
實施例2本發(fā)明采用的原料為Ti粉和Ni粉，其主要特性如表1所示。
表1 Ti粉和Ni粉的特性

(2)以1∶1的摩爾比配制Ti、Ni金屬粉末，計算混合粉末中Ti、Ni的質(zhì)量百分比Tiwt％1∶1＝47.88/(47.88+58.71)×100％＝44.92％(1)Niwt％1∶1＝58.71/(47.88+58.71)×100％＝55.08％(2)按照計算結(jié)果，用精度為0.01g的電子天平稱取適量Ti、Ni粉末，然后用混粉機(細度30～300目，轉(zhuǎn)速24000r/min)將其混合。每次開機一分鐘，待混粉機的杯體溫度降至室溫時再次開機，如此反復三次，將其混合均勻。
(3)用萬能材料試驗機(型號WE-30，廣州試驗機廠生產(chǎn)，300KN)將Ti、Ni混合粉末(3.4g)壓制成直徑為15mm的圓柱狀試樣，壓制過程中保壓4分鐘，以免試樣變形或者開裂。實驗過程中采用的壓制壓力分別為25KN、30KN、35KN、40KN、45KN、50KN。
(4)為減少外界因素的影響，提高自蔓延反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量，在實驗前應(yīng)烘干試樣，去除水分和部分氣體。所采用的設(shè)備為電熱鼓風干燥箱(溫度波動±1℃，控溫范圍室溫～300℃)，在150℃下保溫3小時。
(5)自蔓延反應(yīng)在反應(yīng)容器(圖2)中進行，將試樣置于試樣臺上適當位置后，封閉容器蓋，通入一定流量(10L/m)的氮氣(99.999％，13.6MPa)。
在此，氮氣兼作保護氣體和反應(yīng)氣體。充氣一段時間(4m)后，用CO2(Pmax＝1500W)和Nd:YAG(Pmax＝700W)激光點火，誘導自蔓延高溫合成反應(yīng)，用精度為0.01秒的秒表記錄點火時間、助燃時間及反應(yīng)時間，從觀察窗觀察反應(yīng)現(xiàn)象。
實施例3本發(fā)明采用的原料為Ti粉和Ni粉，其主要特性如表1所示。
表1 Ti粉和Ni粉的特性

(2)以1∶1的摩爾比配制Ti、Ni金屬粉末，計算混合粉末中Ti、Ni的質(zhì)量百分比Tiwt％1∶1＝47.88/(47.88+58.71)×100％＝44.92％(1)Niwt％1∶1＝58.71/(47.88+58.71)×100％＝55.08％(2)按照計算結(jié)果，用精度為0.01g的電子天平稱取適量Ti、Ni粉末，然后用混粉機(細度30～300目，轉(zhuǎn)速24000r/min)將其混合。每次開機一分鐘，待混粉機的杯體溫度降至室溫時再次開機，如此反復三次，將其混合均勻。
(3)用萬能材料試驗機(型號WE-30，廣州試驗機廠生產(chǎn)，300KN)將Ti、Ni混合粉末(3.4g)壓制成直徑為15mm的圓柱狀試樣，壓制過程中保壓2分鐘，以免試樣變形或者開裂。實驗過程中采用的壓制壓力分別為25KN、30KN、35KN、40KN、45KN、50KN。
(4)為減少外界因素的影響，提高自蔓延反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量，在實驗前應(yīng)烘干試樣，去除水分和部分氣體。所采用的設(shè)備為電熱鼓風干燥箱(溫度波動±1℃，控溫范圍室溫～300℃)，在100℃下保溫兩小時。
(5)自蔓延反應(yīng)在反應(yīng)容器(圖2)中進行，將試樣置于試樣臺上適當位置后，封閉容器蓋，通入一定流量(8L/m)的氮氣(99.999％，13.6MPa)。
在此，氮氣兼作保護氣體和反應(yīng)氣體。充氣一段時間(4m)后，用CO2(Pmax＝1500W)和Nd:YAG(Pmax＝700W)激光點火，誘導自蔓延高溫合成反應(yīng)，用精度為0.01秒的秒表記錄點火時間、助燃時間及反應(yīng)時間，從觀察窗觀察反應(yīng)現(xiàn)象。
(6)反應(yīng)結(jié)束后，分別用X射線衍射(XRD)技術(shù)、掃描電鏡(SEM)技術(shù)分析反應(yīng)產(chǎn)物的相組成、觀察反應(yīng)產(chǎn)物顯微結(jié)構(gòu)，并用公式P＝(1-V1/V2)×100％(3)計算反應(yīng)產(chǎn)物的空隙率，其中P為孔隙率(％)，V1為自蔓延反應(yīng)前試樣的體積，V2為自蔓延反應(yīng)后試樣的體積，試樣的體積用精度為0.1ml的量筒測量(阿基米德排水法)。
由X-ray衍射圖(圖3，CO2激光器，300W，30KN，10L/S，助燃時間2S)可知，反應(yīng)產(chǎn)物由TiN、TiNi、Ti2Ni和Ni3Ti四相構(gòu)成，無Ti、Ni純元素相的衍射峰出現(xiàn)。
這表明Ti粉和Ni粉在SHS過程中盡管反應(yīng)時間僅有幾秒鐘，與長達幾小時至幾十小時的粉末擴散燒結(jié)法相比微不足道，但元素粉末間的化合反應(yīng)卻進行得很充分。TiNi合金表面形成的TiN對提高其表面性能是有利的。TiN的出現(xiàn)有利于抑制有毒Ni離子的釋放，顯著提高TiNi合金的耐蝕性能和生物相容性能，且有利于提高TiNi合金的硬度和耐磨性。
反應(yīng)產(chǎn)物的成分、組織分布均勻，圖4反應(yīng)產(chǎn)物的微觀組織照片(背散射電子像)。
在圖4中，存在黑、白、灰三種顏色不同的區(qū)域，分別代表三種不同的組織。從圖中不難看出，三種組織在反應(yīng)產(chǎn)物中的分布都比較均勻，這說明在樣品準備階段，混粉基本實現(xiàn)了均勻化的目的。
權(quán)利要求
1.激光誘導自蔓延高溫合成TiNi-TiN梯度材料的方法，其特征在于包括如下步驟(1)按摩爾比為1∶1稱取Ti、Ni金屬粉末，并混合均勻；其中，Ti粉的純度≥99.0％，細度為200～300目；Ni的純度≥99.5％，細度為200～300目；(2)將Ti、Ni混合粉末壓制成圓柱狀試樣，壓制過程中保壓1～4分鐘，壓制壓力為20～50KN；(3)將試樣在80～150℃下保溫1～3小時，除去水分與部分氣體；(4)將試樣置于反應(yīng)容器的試樣臺上后，封閉容器蓋，以5～10L/min的流量通入氮氣，充氣時間≥2分鐘后，用CO2和Nd:YAG激光點火，誘導自蔓延高溫合成反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光誘導自蔓延高溫合成TiNi-TiN梯度材料的方法，其特征在于步驟2中的保壓時間為2～3分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光誘導自蔓延高溫合成TiNi-TiN梯度材料的方法，其特征在于步驟3中的溫度為90～110℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光誘導自蔓延高溫合成TiNi-TiN梯度材料的方法，其特征在于步驟3中的溫度為100℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光誘導自蔓延高溫合成TiNi-TiN梯度材料的方法，其特征在于步驟3中的保溫時間為2小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光誘導自蔓延高溫合成TiNi－TiN梯度材料的方法。該方法包括如下步驟(1)按摩爾比為1∶1稱取Ti、Ni金屬粉末，并混合均勻；(2)將Ti、Ni混合粉末壓制成圓柱狀試樣，壓制過程中保壓1～4分鐘，壓制壓力為20～50KN；(3)將試樣在80～150℃下保溫1～3小時，除去水分與部分氣體；(4)將試樣置于反應(yīng)容器的試樣臺上后，封閉容器蓋，以5～10L/min的流量通入氮氣，充氣時間≥2分鐘后，用CO
文檔編號B22F3/12GK1605413SQ20041005187
公開日2005年4月13日 申請日期2004年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月20日
發(fā)明者楊永強, 陳林 申請人:華南理工大學