第２４卷第１期 Ｖｏ１．２４Ｎｏ．１ 贺 州 学 院 学 报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＺｔｔＯＵ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ２００８年３月 Ｍａｒ．２ｏ０８
碳化钛基金属陶瓷主要制备方法
胡正西
（贺州学院‘物理与电子信息工程系，广西 贺州 ５４２８００）
［摘要］碳化钛金属陶瓷具有优良的物理化学性能，在复合材料中应用广泛而备受关注，文章介绍了
碳化钛金属陶瓷的性能特点，并综述了碳化钛金属陶瓷常见制备方法及特点。。
［关键词］碳化钛陶瓷；性能；制备方法
［中图分类号］ＴＢ３３１［文献标识￣－ｑ］Ａ［文章编号］１６７３—８８６１（２００８）０１—０１４０—０５
１．前言
碳化钛具有高熔点、高硬度和高弹性模量，良好
的抗热震性和化学稳定性，高温抗氧化性能仅低于
碳化硅。碳化钛是硬质合金的重要原料，因此在结构
材料中作为硬质相而被广泛用于制作耐磨材料、切
削刀具材料、机械零件等，还可制作熔炼锡、铅、锡、
锌等金属的坩锅，透明碳化钛陶瓷是优良的光学材
料。碳化钛优良的耐热冲击性能，使它适合于在中性
或还原性气氛中用作特殊的耐火材料。
ＴｉＣ是过渡族金属元素Ｔｉ和非金属元素Ｃ共价
化合物，为面心立方品格（ＮａＣＩ型），八面体结构。其
品格常数为０．４３１９ｎｍ，密度为４．９３—４．９０ｇ／ｃｍ３。
ＴｉＣ陶瓷属于超硬材料，不仅硬度高，耐磨性好，摩
擦系数低，还具有较高的红硬性，化学稳定性和良好
的导热性与热稳定性。具有极其广泛实际应用价值。
如用于制造切削刀具材料、装甲材料、堆焊耐磨焊条
等。
但ＴｉＣ陶瓷本身质脆，无法直接作为工程构件
使用，在复合材料也往往作为增强相…Ｉ，因此较多
地作为涂层在材料领域中应用并受到广泛重视。
ＴｉＣ基金属陶瓷就是很好的实例。
ＴｉＣ基金属陶瓷，是一种由金属或合金同ＴｉＣ
陶瓷相所组成的非均质的复合材料，它既保持有
ＴｉＣ陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化
和化学稳定性等特性，又有较好的金属韧性，正是由
于这些优良的物理化学性能使得碳化钛基金属陶瓷
备受关注。 ２．常见ＴｉＣ陶瓷的制备技术
ＴｉＣ基金属陶瓷材料具有特殊的优异性能，被
认为是具有很大实用价值的先进材料，人们对它的
研究也在不断深入，经过３０多年的发展，已经开发
许多制备工艺，每种方法各有不同的优缺点，可以依
据不同的应用要求、价格因素等选择不同的加工方
法。
２．１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
用己拓宽到了金属基和陶瓷基材料中。邹正光等［２］
用原位碳热还原法制备了ＴｉＣ／Ｆｅ复合材料。这一方
法是以天然矿物钛铁矿（ＦｅＴｉＯ３）、石墨（ｃ）为原料，
其工艺特点是实现合成与烧结一体化，对于低成本
合成高性能ＴｉＣ／Ｆｅ复合材料做了非常有益的探索。
另有文献 【 】还研究了在大气条件下原位合成
Ｔｉｃ／Ｆｅ复合材料。文献［５］的研究发现在４００＂Ｃ、
ＩＯＯＭＰａ、真空度为０．Ｏ００１３Ｐａ、压缩５ｈ条件下，
ＴｉＣ／Ａ１复合材料表现出良好的高温持久强度，并且
在９０℃以下ＴｉＣ无相变发生，进一步证明原位
ＴｉＣ／Ａ１复合材料具有良好的热稳定性。研究表明，
Ｔｉ／ＭｇＥ ＴＩＣ／（］ｕ［６］［ Ｆｅ—Ｃｒ—Ｎｉ／ＴｉＣｐ［８］等ＴｉＣ
基金属陶瓷都可以采用原位合成技术制备。
［收稿日期］２００８—０１—１０
［作者简介］胡正西（１９７６一），湖南永州人，广东＿ｒ－．．１ｋ大学在读博士，助教，主要研究方向：材料加工工程
１４０·－－
—— 第２４卷第１期 Ｖｌ０１．２４Ｎｏ．１ 贺 州 ｅ，．ｊｏ 院 学 报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥ＝ ＤＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ２００８年３月 Ｍａｒ．２００８
２．２ 熔铸法
熔铸法在制备复合材料方面具有工艺简单、灵
活、成本低廉和容易制造复杂构件等特点。虽然钛和
增强体在液相有高反应活性和润湿性不是很好，但
是国内研究人员还是在这方面进行了一些有益的探
索。金云学等［９］和李俊刚等［１０］采用熔铸法分别制
备了ＴｉＣ ｐ／Ｔｉ复合材料和ＴｉＣ／Ｉ＇ｉ—ｘＹ复合材料。
马建国等［１１Ｊ贝０用电渣熔铸的方法制备了３％的ＴｉＣ
颗粒增强轴承钢复合材料，对其组织性能进行了初
步的探索，发现该复合材料的孔隙小、致密度高；
ＴｉＣ颗粒较为均匀地分布在基体中，并保留了原始
的形态，在品界处形成了Ｆｅ３Ｃ化合物；复合材料的
耐磨性比基体材料有明显提高。
２．３粉末冶金法
粉末冶金技术是首先将增强体和基体粉末混合
均匀，然后对混合粉末进行真空除气，再经过压型、
烧结、冷、热等静压等工序而制成。袁宏辉等ｌｌ Ｊ研究
了在低压烧结工艺下所制备的碳化钛基金属陶瓷性
能，发现低压烧结ＴｉＣ基金属陶瓷的抗弯强度、硬度
可得到提高，其切削性能也比普通真空烧结有明显
提高。王翔等［ｎ］制备了Ｆｅ—ＴｉＣ Ｐ复合材料并发现
通过淬火处理后能显著提高Ｆｅ基ＴｉＣ Ｐ复合材料的
硬度及耐磨性。粉末冶金法在实际应用中常常和原
位合成法相结合来制备性能优良的复合材料。王一
三等 角新的铸造烧结技术，在铸钢件表面实现快
速液相烧结，原位生成了厚度为３ｍｍ的ＴｉＣ颗粒增
强铁基表面复合材料层；研究发现复合材料在重载
干滑动摩擦条件下，具有很好的耐磨性。
２．４机械合金化法
机械合金化法实际上是一种高能球磨技术。高
能球磨的机械力既可以是粉碎和研磨固体过程中的
冲击和研磨作用力，也可以是液体和气体的冲击波
产生的压力，还可以是一般的压力和摩擦力等，品体
在粉磨过程产生的机械力作用下，不但使品粒尺寸
由大变小，比表面积增大，而且由于剧烈的碰撞，研
磨等作用，使品体的结构发生了变化，主要包括品格
的畸变，品粒的非品化和品型转变等Ｈ ５ｌ，正是在这
些机械力的诱发和作用下使被球磨的粉末发生物理
化学变化生成新的复合材料。机械合金化和原位合
成技术结合可以制备纳米级粒度的粉体。夏冬生
等【１６Ｊ用机械合金化原位合成法得到了５０ｎｍ以下
的Ｎｉ （Ｃｏ）一ＴｉＣ粉末。
２．５化学气相沉积
化学气相沉积（ＣＶＤ）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。由 于化学气相沉积整个反应建立在热力学基础上，
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，可实现ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＢＮ
等单层及多元多层复合涂层［＂】［１８］。但ＣＶＤ工艺处
理温度高，通常ＣＶＤ温度在９００～１２００＇１２，高温使
钢基体发生软化，处理后需重新真空淬火，不仅使工
艺复杂，也使工件容易变形，易造成基体材料抗弯强
度的下降，主要用于硬质合金刀具和模具。同时，
ＣＶＤ制备过程中会产生有害的废气、废液，会造成
工业污染，对环境影响较大，与目前所提倡的绿色工
业相抵触，因而限制了其推广使用。
２．６物理气相沉积
物理气相沉积（ＰⅧ）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。它主要包括蒸发镀膜、溅射镀膜技术和
离子镀膜技术等。其中溅射镀膜和离子镀是目前较
普遍采用的制备陶瓷涂层的ＰＶＤ技术。溅射镀膜是
基于离子轰击靶材时的溅射效应，其基本原理是：通
过辉光放电加热工件，源极的合金元素在离子轰击
下被溅射出来，高速飞向工件表面，被工件表面吸
附，借助于扩散过程进入工件表面，从而形成渗入元
素的合金层。离子镀是在真空条件下利用气体放电
使气体或被蒸发物部分离化，产生离子轰击效应，最
终将蒸发物或反应物沉积在基片上。与ＣＶＤ相比，
ＰＶＤ可谓是绿色薄膜制备技术，不存在污染问题，
而且处理温度可降至６００＇１２以下，减少对工件的热
影响。如用ＰＶＤ涂覆的活塞环表面ＴｉＮ涂层、ＣｒＮ
涂层是氮化处理耐磨性的６～７倍 沉积温度的
降低也使沉积的膜层结合强度低于ＣＶＤ膜层。制备
的膜层往往存在残余压应力，而且异常高，膜层易于
脆性开裂和剥落；加之ＰＶＤ属视线性处理，附着性
和绕镀性差，处理过程中工件须转动或摆动，增加了
真空室的设计难度和无效镀膜等问题。为进一步提
高离化率，增加膜与基体的结合力，近年来开展了
磁控溅射，非平衡磁控，脉冲偏压磁控等技术的研究
应用。目前ＰＶＤ技术也多用于刀具表面处理上。
２．７ 热喷涂
热喷涂技术是通过火焰、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（如耐磨损性、耐腐蚀性、
耐高温隔热性等）进行强化或再生，起到保护作用，
并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。热喷涂技术主要包括等离子喷涂、电弧喷
涂、火焰喷涂技术［２０Ｊ。
１４１－－－－
—— 第２４卷第１期 Ｖ０１．２４Ｎｏ．１ 贺 州 学 院 ｅｄｔ， 报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＺＨＯＵ ＵＮ１ＶＥＲＳＩＴＹ ２００８年３月 Ｍａｒ．２００８
等离子弧喷涂是以等离子弧为热源喷涂，等离
子弧的高温可使气体流中所携带的高熔点陶瓷粉末
迅速地软化，并以高速动能喷射到金属基体上，使被
喷涂的表层陶瓷与金属基材间获得初步的结合力。
电弧喷涂是以电弧为热源，将熔化的金属丝高速喷
射到工件表面形成涂层的一种工艺。氧乙炔火焰喷
涂法是以氧和乙炔气体火焰作为热源，将喷涂材料
加热到热塑性状态，并以高速喷射到经过预处理的
基体表面上，从而形成具有一定性能涂层的工艺。
近年来随着传统电弧喷涂技术的不断完善，又
涌现出了高速电弧喷涂（ＨＶＡＳ）、超音速火焰喷涂
等工艺，改善了膜层的性能，但是由于热喷涂自身的
工艺特点，决定了它的膜层与基体问为物理结合，结
合力较低，同时空隙率高，均匀性差表面粗糙等问题
的存在，使其应用受限。
２．８ 自蔓延高温合成
自蔓延高温合成法（ＳＨＳ）是利用金属热还原氧
化物的原理，点燃预先配好的粉料并利用原料自身
燃烧反应放出的热量使化学反应过程自发地持续进
行，进而获得具有指定成分和结构产物的一种新型
材料合成手段。自蔓延高温合成涂层包括Ａｌ２（）３、
ＭｏＢ２、Ａ１，０３一ＴｉＣ等多种涂层，具有工艺简单、节
省能源和生产成本低等特点，已应用于石油、矿山、
冶金等工业领域用［２ｌ儿 引。
２．９ 高密度能量束涂覆
高密度能量束包括激光束、离子束、电子束，用
高密度能量束对材料表面进行改性和涂覆。由于这
些束流具有光特征，可采用聚光镜聚焦成高密度能
量束流，它可使被照射的区域在瞬间达到很高的温
度，亦可使陶瓷微粒熔化，从而可用来制取金属基陶
瓷复合材料。其中以等离子束熔覆和激光熔覆技术
应用较多 引。
等离子束熔覆技术是采用等离子束为热源，在
金属表面获得优异的耐磨耐蚀耐冲击等性能的表面
复合技术。其原理为：在等离子束流的高温下，金属
零件表面快速依次形成与弧斑直径尺寸相近的熔
池，将合金或陶瓷粉末同步送入弧柱或熔池中，粉末
被快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属混合
扩散反应，随着等离子弧柱的移动，合金熔池迅速凝
固，形成与基体呈冶金结合的涂层。ｌ２ Ｊ向自熔合金
中添加ＴｉＣ等陶瓷相及其陶瓷相形成元素，可形成
陶瓷复合涂层或梯度涂层ｌ２５ Ｊ。热喷涂粉末结品温度
区间大，应用于等离子束熔覆时，涂层气孑Ｌ和裂纹倾
向较大。激光熔覆是利用高能密度的激光束在基体
表面形成与基体相互熔合的且具有成分与性能完全 不同的合金覆层。激光熔敷过程中，熔敷层被快速加
热、熔化。然后又急剧冷却，属非平衡凝固，而且涂层
材料和基体材料性能差异较大，再加上激光处理过
程中影响因素较多，致使熔敷层质量不易控制。结果
常在涂层中出现某些缺陷元素氧化烧损，涂层成分
污染，涂层表面裂纹等。
２．１Ｏ 液相沉积
液相沉积法是近年发展起来的一种湿化学制膜
法，１９８８年由Ｎａｇａｙａｍａ首次报导【２ ，它只需在适当
反应液中浸入基片，在基片上就会沉积出氧化物或
氢氧化物的均匀致密的薄膜。其基本原理是通过溶
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。如Ｆ．Ｋｅｒｎ等［２７Ｊ采用液相沉积法
在碳纤维上沉积了ＳｉＣＮ陶瓷薄膜，大大地提高了碳
纤维在高温下的抗氧化性能。液相沉积法由于可在
低温甚至室温的条件下进行膜层沉积制备过程中不
需热处理，无需昂贵设备，且操作简单等，因而在制
备氧化物功能薄膜中得到了广泛的应用。但是制备
过程还存在许多缺陷。液相沉积实质仍为水溶液中
的反应，在沉积过程中存在溶液浓度反应前后不一
致，液相反应影响因素多，工艺稳定性不高等。
２．１１ 溶胶——凝胶法
溶胶～凝胶法也是一种陶瓷涂层的低温制备
方法，目前是材料研究领域的热点。溶胶一凝胶法
基本原理是将金属化合物前驱体溶于溶剂中形成均
匀的溶液，在催化剂（如盐酸）的存在下，溶质与溶
剂产生水解或醇解反应，反应生成物聚集组成纳米
粒子的溶胶，以溶胶为原料对基体表面进行涂膜处
理，溶胶经凝胶化后得到干凝胶，后在一定的温度下
热处理即得到陶瓷膜［２８１［２９］。同液相沉积一样，溶胶
凝胶法也具有可在低温甚至室温的条件下进行膜
层沉积，制备过程中不需热处理，无需昂贵设备，操
作简单等优点，但溶胶一凝胶法所用的金属醇盐等
有机化合物价格昂贵，使得陶瓷膜的生产应用成本
高，难以普遍代替有机膜用于工业生产中，同时陶瓷
膜的制备过程时间较长，常达１—２个月，目前缺乏
有效的方法来缩短处理时间。
２．１２ 液中放电的电火花表面强化
电火花表面强化处理是近年来国内外研究较多
的表面改性技术，电火花表面强化处理以其优异的
性能表现出巨大的工程应用前景 。
电火花表面强化概念由前苏联学者于１９４３年
提出，在俄罗斯称为电火花表面合金化，在日本则称
为电火花表面沉积／堆焊。其基本原理是储能电源