Al₂O₃-TiC复合材料是一种由Al₂O₃基体及分布在其中的TiC组成的多相结构材料，具有优异的耐高温性、耐磨性与耐腐蚀性，适合用作切削刀具材料，在机械、汽车、电子、航空航天等领域有着广泛的应用前景^[1-3]。Al₂O₃-TiC复合材料制备主要是通过高温热压烧结或无压烧结方法制备而成^[4-5]。常压烧结法Al₂O₃-TiC复合材料制备是以氧化铝和碳化钛为原料，采用高温热处理。与其他方法比较，这种方法设备简单、成本低，因而受到人们的广泛关注^[5-7]。但这种制备方法受烧结工艺及原料影响大，导致其韧性与强度差异大^[8-9]。近来，人们通过多种手段来提高其韧性^[10-11]，但当前该复合材料韧性依然偏低。

通过设计不同组分配比的Al₂O₃-TiC材料，采用常压烧结技术制备Al₂O₃-TiC材料，对其物相结构﹑显微结构和抗折性能进行表征，为Al₂O₃-TiC复合材料设计提供依据。

1) 实验所采用原料为Al₂O₃和TiC，碳化钛含量分别为0 wt.%﹑25 wt.%﹑30 wt.%和35 wt.%，其样品分别称为S1、S2、S3与S4。

2) 按料、球与水比1:2:1，将称量好的物料、水及研磨球装入球磨罐中，转速为500 r·min^-1，球磨4 h。将球磨后的原料过300目筛，再在160 ℃下干燥，将干燥后的粉料在研钵中研磨细化，并加入一定量的2.5% PVA溶液，进一步研磨造粒，然后放入压片机压制成型。将成型后的方型样品在60 ℃下干燥，烘干后切成70 mm×20 mm×10 mm样条，最后在1 500 ℃条件下烧结1 h。

采用岛津公司Lab X XRD-6100型X射线衍射仪分析不同TiC含量样品的物相组成；通过扫描电子显微镜(Quanta 200，FEI)对材料表面形貌进行表征；利用数显电动抗折仪(DPK-500，湘潭湘仪有限公司)测定材料抗折强度。

为了解TiC与Al₂O₃组分在烧结过程中的物相变化，需对常压烧结下不同TiC含量样品物相组成进行分析。图 1为不同TiC含量Al₂O₃-TiC样品物相结构图谱。从测试结果看，随着TiC含量的增加，Al₂O₃所对应衍射峰衍射强度急剧降低。当TiC含量为35%时，氧化铝衍射峰近乎消失，同时TiC衍射峰衍射强度却逐渐增强。经进一步物相分析发现，在常压烧结过程中形成了新的物相，经分析确定该物相为Al₂TiO₅。在材料组分设计范围内，Al₂TiO₅物相含量随着碳化钛含量的增加而增强，但图谱结果来看，仍有少量的TiC与Al₂O₃未完全反应，形成了共存现象，这与热压制备方法差异明显。热压烧结中组分间的化学相容性较好，Al₂O₃与TiC物相保存完好，但也有少量TiO₂的发现^{[7, 9]}。研究发现，Al₂TiO₅的形成与TiO₂有关，常压烧结为有氧烧结，有利于TiO₂形成，这可能也说明了Al₂TiO₅物相在常压烧结条件下大量形成的原因^[6-7]。

图 1(Figure 1)

图 1 不同TiC含量Al2O3-TiC样品XRD图谱

材料组分及含量对材料力学性能具有重要的影响。图 2为不同TiC含量的Al₂O₃-TiC样品抗折强度，可以看出：氧化铝掺杂TiC后，样品抗折强度有所下降，这可能与烧结过程中Al₂O₃因参与化学反应而被大量消耗，在基体材料内部形成孔隙结构有关。随着TiC含量增加，材料抗折强度逐渐提高，这可能是因为新相Al₂TiO₅含量逐渐增加，成为主体成分，并通过进一步收缩而致密化，从而提高了材料的抗折强度，提高了材料韧性^[12-13]。因此，欲改善TiC增韧效果，要控制好热处理后的组分界面，发挥界面化学键结合强度高的特性，以获得较高强度的复合材料。

图 2(Figure 2)

图 2 不同TiC含量材料的抗折强度

图 3为TiC含量为35 wt.%的Al₂O₃-TiC复合材料的表面形貌。从图中可清楚地看到：材料表面由大量微米级晶粒组成，晶粒尺寸差异较大，有些晶粒出现粗化现象。晶粒之间通过交错生长而连接起来，晶粒间出现了明显的因表面扩散而引起的晶粒颈部生长现象，表明这种材料是通过颗粒表面扩散实现晶粒生长的，晶粒表面圆润。在材料的内部留有明显的孔隙，这可能是因晶粒扩散生长所致，当然适量的孔隙率及合理分布有利于提高材料的抗热震性能^[14]，因此后续还需深入研究表面扩散现象对Al₂O₃-TiC复合材料结构组成﹑形貌与性能的影响。

图 3(Figure 3)

图 3 35 wt.% TiC含量的Al2O3-TiC样品材料表面形貌

采用常压烧结法制备了Al₂O₃-TiC材料，发现烧结过程中两组分经原位化学反应形成了新的物相Al₂TiO₅；随着TiC含量的增加，Al₂TiO₅物相含量增加，材料抗折强度有所提高；材料表面分析表面颗粒表面光滑，晶粒尺寸差异明显，呈交错生长，材料内部出现孔隙。