机械合金化合成Ti2SnC粉体的真空热处理

李 响， 刘可心， 张立辉， 赵明月， 金松哲

（长春工业大学材料科学与工程学院，吉林长春 130012）

0 引 言

具有层状结构的三元化合物Mn+1AXn导电陶瓷具有金属和陶瓷的优良性能，得到了材料领域相关学者[1-4]的广泛关注。其中，Ti2SnC具有优良的导电、导热、抗热冲击性、可加工性，而且还具有陶瓷的低比重、高强度、高模量和抗氧化等特点[5]。此外，还有摩擦系数低和具有自润滑特性等特点。这些特点使其可能应用于以下领域:高温结构材料，新一代的电机电刷材料和热交换器材料及各种减摩耐磨部件，窑具材料和耐腐蚀构件，化学反应釜的搅拌器轴承、风扇轴承、特殊的机械密封件等。

一些研究者采用固液反应合成[6]、热等静压烧结[7]、热压烧结和无压烧结[1]等方法成功制备Ti2SnC导电陶瓷，但纯度不高。

文中将Ti，Sn和C单质混合粉体进行机械球磨10 h，然后进行无压热处理提纯，研究热处理工艺对Ti2SnC导电陶瓷粉体纯度的影响。

1 实验材料与方法

实验以Ti粉（纯度＞99.36wt%，平均粒度为80 μ m）、Sn粉（纯度＞99.0wt%，平均粒度为20 μ m）和 C粉（纯度＞99.0w t%，平均粒度为20 μ m）为原料，通过机械合金化10 h合成含有Ti2SnC的粉体。在650～950℃范围内对其进行真空热处理，升温速度50℃/min，保温5 min，不加压力，采用内径为10 mm的石墨磨具。

采用D/Max2500PC型X射线衍射仪对球磨和热处理粉体进行相分析（Cu靶，Kα）及测定点阵常数;

采用 JSM-5600LV 型扫描电子显微镜（SEM）观察显微组织。

2 实验结果和分析

2.1 球磨粉体的形貌和相组成

球磨转速为550 r/min，球料比为 10∶1，Ti∶Sn∶C=2∶1∶1，球径为12 mm，球磨10 h后得到机械合金化粉体的SEM图片及其XRD图谱分别如图1和图2所示。

图1 原料粉体的SEM图

图2 原料粉体的XRD图谱

从图中可以看出，机械合金化后，粉体颗粒较细小，并有团聚现象，且合成了以Ti2SnC为主相，TiC和Sn为杂质相的混合粉体。其中 TiC的衍射峰也相对较强。

2.2 真空热处理Ti2SnC陶瓷粉体的相组成

不同温度下真空热处理 Ti2SnC陶瓷粉体的XRD图谱如图3所示。

图3 不同温度真空热处理Ti2SnC陶瓷粉体的XRD图谱

由图3可知，经真空热处理后，粉体的XRD图谱中杂质峰少。与原粉相比较，TiC的衍射峰强度明显降低。由于粉体中各物相的许多衍射峰相互重叠或接近不易区分，这给物相的定量分析带来了困难。但 Ti2SnC的（002）特征峰（2θ= 12.979°）和 TiC的（111）特征峰（2θ=35.9°）相对独立，且有足够高的强度，可以用来分析相应的物相含量随热处理温度的变化规律。由于无法计算块体中 Ti2SnC的含量，故用Ti2SnC（002）与TiC（111）衍射峰强度比值（ITSC/ITC）来表征Ti2SnC的含量的变化趋势。热处理过程中，Ti2SnC峰强度随温度上升提升很快，TiC峰强则相对缓慢，而当温度高于750℃时，TiC的衍射峰则逐渐增强。

Ti2SnC（002）晶面的衍射峰与TiC（111）晶面的衍射峰的比值与温度关系曲线如图4所示。

图4 Ti2SnC（002）晶面的衍射峰与TiC（111）晶面的衍射峰的比值与温度关系曲线

图4中体现了Ti2SnC（002）晶面的衍射峰与TiC（111）晶面的衍射峰的强度比值与温度关系，机械合金化粉体的Itsc（002）/Itc（111）只有0.381，粉体烧结后其峰强比显著提高，且 Itsc（002）/Itc（111）值随着烧结温度的提高先升高，比值达到2.4左右，后呈下降趋势。这是由于热处理温度过高，导致了Ti2SnC的分解，生成了TiC。

2.3 真空热处理Ti2SnC粉体形貌

在不同温度热处理的Ti2SnC粉体组织SEM观察结果如图5所示。

图5 不同温度热处理Ti2SnC粉体的形貌

从图中可以看到，750℃时团聚现象比较严重，有少量棱角状颗粒出现，随着温度上升，这种颗粒逐步增多。在950℃时，我们发现了某些颗粒出现了明显的 Ti2SnC片层状形态，因此将其放大至10 000倍，照片清晰显示了类似于枝晶的组织结构，周围还有较多圆形颗粒附于其上。我们认为这是形成 Ti2SnC片层结构的初始状态，颗粒是将要融入的Ti2SnC。如果在这个过程中施加一定压力，Ti2SnC片层应会沿适当方向优先长大。

2.4 真空热处理Ti2SnC粉体晶内应变分析

真空热处理Ti2SnC粉体的晶内应变与热处理温度的变化曲线如图6所示。

从图6可以看到，随着热处理温度的升高，粉体的晶内应变逐渐减小。

热处理温度与Ti2SnC层片厚度（[002]方向的晶粒尺寸）变化曲线如图7所示。

由图7可知，随着温度的升高，晶粒尺寸逐渐增大。球磨粉体中的各组成相多为细小高应变相，热处理过程中存在很强的长大倾向，热处理温度越高，长大倾向越大，晶内应变随热处理温度的升高而逐渐减小。高温热处理粉体晶粒大、界面少，微应变也保持较低的水平。

图6 晶内应变随热处理温度的变化对比曲线

图7 Ti2SnC层片厚度[002]方向的晶粒尺寸

2.5 真空热处理Ti2SnC粉体晶格常数分析

Ti2SnC晶格常数与真空热处理的温度关系曲线如图8所示。

晶格常数相对于理论值的偏移量与热处理温度关系曲线如图9所示。

机械合金化合成粉体因晶格畸变必然存在较大内应力，这种内应力将在热处理过程中逐渐被释放，使晶格常数趋于理论值。在 950℃时，Δa/a≈-0.41%，Δc/c≈0.52%，可以看到随着热处理温度上升，晶格常数越来越接近理论值，其偏移量也逐渐减小。

图8 真空热处理制备样品中Ti2SnC的晶格常数a，c变化曲线

图9 晶格常数在不同温度下的偏移量曲线

3 结 语

采用真空热处理球磨粉体，在232℃保温5 min（波动不超过+5℃）后，再以加热速率约50℃/min升温至热处理温度（650～950℃），可以显著提升机械合金化粉体中 Ti2SnC的含量。当热处理温度为750℃时，粉体中 Itsc（002）/Itc（111）的比值由原来的0.381提高到2.4左右。随热处理温度上升粉体中Ti2SnC晶体的微应变逐渐下降，晶内应力逐渐减小，晶粒尺寸逐渐增大，在650～750℃其变幅最大，随后逐步减缓，当热处理温度为950℃时，点阵常数a=0.319 9 nm，c= 1.355 9 nm，接近理论值（a=0.316 2 nm，c= 1.367 nm）。

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