專利名稱：一種TiAl金屬間化合物復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及復合材料領域，特別涉及一種TiAl金屬間化合物復合材料及其制備方法。
背景技術：
TiAl金屬間化合物具有優(yōu)異的高溫性能，綜合了陶瓷和金屬材料的優(yōu)點，并具有較小的體積密度，在高溫條件下能替代部分現(xiàn)有金屬及陶瓷材料，以提高產(chǎn)品性能及實現(xiàn)輕量化，因而成為高溫結構材料的開發(fā)熱點之一。但是，TiAl本身室溫脆性較大、難于變形加工，850°C以上抗氧化性不足，嚴重的阻礙了該材料的實際應用。 TiAl合金中引入Cr能顯著改善該材料的熱加工性和超塑性以及高溫抗氧化性，但依然不能從根本上解決其力學性能較差的缺點。利用陶瓷相彌散強韌化的TiAl/Al203復合材料不但具有制造成本低廉，而且A1203熱膨脹系數(shù)與TiAl基體也最為接近，從而使該材料的性能有了很大的提高?，F(xiàn)有的制備方法有直接金屬氧化法、反應溶滲法、氣壓溶滲法以及熱等靜壓法等，但該類技術難以使彌散相均勻分布于基體材料之中，從而大幅降低了材料的性能。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種TiAl金屬間化合物復合材料及其制備方法，在制備出具有均勻細小的八1203彌散相的同時，利用原位生成的&對基體相TiAl進一步優(yōu)化TiAl/Al203復合材料，同時降低了燒成溫度及熱壓壓力，在快速燒成中實現(xiàn)了晶粒微晶化。 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的 —種TiAl金屬間化合物復合材料，其原料組成成分為Ti粉占總重量的21. 45-63. 14%， Al粉占總重量的36. 12-39. 69%， Cr203粉占總重量的0. 74-38. 87%。
以上原料組分按以下反應方程式進行設計
xTi+(x+3)Al+Cr203 — xTiAl+Al203+Cr2Al (1) 通過改變x值就可以合成出不同A1203含量的TiAl復合材料，x = 269. 22_1. 75。如果x大于269. 22，則生成的復合材料中A1203生成量小于產(chǎn)物質量的0. 5%而起不到增強、增韌TiAl基體的作用，反之，如果x值小于1. 75，則產(chǎn)物中Cr2Al相量超過TiAl基體相的含量，不能稱之為TiAl基復合材料，同時，A1203生成量將超過28%，過量的A1203不但起不到改善TiAl金屬間化合物的作用，反而會惡化其性能。因此確定了以上組分范圍。
—種TiAl金屬間化合物復合材料的制備工藝，其步驟如下
(1)將純度大于99%，細度小于200目的金屬Ti粉、Al粉以及CrA粉，按重量比為21. 45-63. 14% :36. 12-39. 69% :0. 74-38. 87%的比例混合均勻; (2)將步驟(1)中的混合物加入高鋁球磨罐中并加入混合物質量45-100%的無水乙醇為介質以700-800轉/分鐘的轉速混磨30-60分鐘，并過200目篩；
(3)將步驟(2)所得粉體裝入石墨磨具中，熱壓燒結，在氬氣或真空條件下，燒結 溫度范圍為1100-130(TC，保溫1-2小時，熱壓壓力為5-15Mpa ; (4)將步驟(3)所得材料自然冷卻至室溫即可得到所要制備的TiAl金屬間化合物 復合材料。 所制備的TiAl金屬間化合物復合材料，其特征在于，它由基體相和增強相兩部分 組成，基體相占復合材料總重量的99. 5-72%，增強相占總重量的0. 5-28%，基體相由占產(chǎn) 物總重量36. 03-98. 86%的TiAl相和0. 64-35. 97%的Cr2Al組成，其余為增強相A1203。
本發(fā)明利用Ti粉、Al粉和Cr203粉經(jīng)熱壓燒結工藝，通過鋁熱反應在基體相生成 的過程中自生顆粒增強相，制備了 Al203彌散相強韌化基體相TiAl的細晶復合材料，并利用 反應生成的Cr對基體相進行微合金化改善。由于該材料成分可調(diào)性大，燒成溫度低，結構 均勻致密，成本較低，力學性能優(yōu)異，拓寬了該復合材料的應用范圍。另外，該方法降低了燒 成溫度及熱壓壓力，在快速燒成中實現(xiàn)了晶粒微晶化。


圖1為實施例一的物相分析結果，橫坐標為衍射角，縱坐標為衍射峰強度。
圖2為實施例一的斷面形貌圖。
具體實施方式

實施例一 本實施例的原料組成成分為Ti粉占總重量的59. 10%， Al粉占總重量的
36. 46%， 0203粉占總重量的4. 44%。
本實施例的制備工藝步驟如下 (1)將純度大于99%，細度小于200目的金屬Ti粉、A1粉以及Cr203粉，按重量比 為59. 10% ，36. 46% ，4. 44%的比例混合均勻; (2)將步驟(1)中的混合物加入高鋁球磨罐中并加入混合物質量50%的無水乙醇 為介質以700轉/分鐘的轉速混磨60分鐘，并過200目篩； (3)將步驟(2)所得粉體裝入石墨磨具中，熱壓燒結，在真空條件下，燒結溫度為 1 IO(TC ，保溫2小時，熱壓壓力為5Mpa ; (4)將步驟(3)所得材料自然冷卻至室溫即可得到所要制備的TiAl金屬間化合物 復合材料。 本實施例所制備的TiAl金屬間化合物復合材料，其特征在于，它由基體相和增強
相兩部分組成，基體相占復合材料總重量的97 % ，增強相占總重量的3 % ，基體相由占產(chǎn)物
總重量93. 15%的TiAl相和3. 85%的Cr2Al組成，其余為3%增強相A1203。 參照圖l，表明該材料基體相由TiAl主晶相及少量的Ti3Al和Cr2Al組成，增強相
為A1A相。 參照圖2，可以看出，該材料晶粒細小，結構致密，無氣孔。
實施例二 本實施例的原料組成成分為Ti粉占總重量的48.07 X， Al粉占總重量的
37. 41%， 0203粉占總重量的14. 52%。
本實施例的制備工藝步驟如下 (1)將純度大于99%，細度小于200目的金屬Ti粉、A1粉以及Cr203粉，按重量比 為48. 07 % ， 37. 41 % ， 14. 52 %的比例混合均勻; (2)將步驟(1)中的混合物加入高鋁球磨罐中并加入混合物質量75%的無水乙醇 為介質以750轉/分鐘的轉速混磨45分鐘，并過200目篩； (3)將步驟(2)所得粉體裝入石墨磨具中，熱壓燒結，在真空條件下，燒成溫度為 1200。C，保溫1. 5小時，熱壓壓力為7. 5Mpa ; (4)將步驟(3)所得材料自然冷卻至室溫即可得到所要制備的TiAl金屬間化合物 復合材料。 本實施例所制備的TiAl金屬間化合物復合材料，其特征在于，它由基體相和增強 相兩部分組成，基體相占復合材料總重量的90%，增強相占總重量的10%，基體相由占產(chǎn) 物總重量77. 15X的TiAl相和12.85%的0^1組成，其余為10%的增強相A1203。該復合 材料彎曲強度為660MPa，斷裂韌性達到6. 8MPa m1/2。
實施例三 本實施例的原料組成成分為Ti粉占總重量的40.43 X， Al粉占總重量的 38. 06%， 0203粉占總重量的21. 51%。
本實施例的制備工藝步驟如下 (1)將純度大于99%，細度小于200目的金屬Ti粉、Al粉以及CrA粉，按重量比 為40. 43% ，38. 06% ，21. 51%的比例混合均勻; (2)將步驟(1)中的混合物加入高鋁球磨罐中并加入混合物質量100%的無水乙 醇為介質以800轉/分鐘的轉速混磨30分鐘，并過200目篩； (3)將步驟(2)所得粉體裝入石墨磨具中，熱壓燒結，在氬氣條件下，燒成溫度為 1300。C，保溫1小時，熱壓壓力為5Mpa ; (4)將步驟(3)所得材料自然冷卻至室溫即可得到所要制備的TiAl金屬間化合物 復合材料。 本實施例所制備的TiAl金屬間化合物復合材料，其特征在于，它由基體相和增強 相兩部分組成，基體相占復合材料總重量的85%，增強相占總重量的15%，基體相由占產(chǎn) 物總重量65. 73%的TiAl相和19. 27%的Cr2Al組成，其余為15%的增強相A1203。該復合 材料的硬度(HRA)達到80，抗氧化性有了明顯改善。
權利要求
一種TiAl金屬間化合物復合材料，其特征在于，原料組成成分為Ti粉占總重量的21.45-63.14％，Al粉占總重量的36.12-39.69％，Cr2O3粉占總重量的0.74-38.87％。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種TiAl金屬間化合物復合材料，其特征在于，原料組成成 分為Ti粉占總重量的59. 10%， Al粉占總重量的36. 46%， Cr203粉占總重量的4. 44%。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種TiAl金屬間化合物復合材料，其特征在于，原料組成成 分為Ti粉占總重量的48. 07%， Al粉占總重量的37. 41%， Cr203粉占總重量的14. 52%。
4. 一種TiAl金屬間化合物復合材料的制備工藝，其特征在于，步驟如下(l)將純度大 于99%，細度小于200目的金屬Ti粉、Al粉以及CrA粉，按重量比為21.45-63. 14% : 36 .12-39. 69% : 0. 74-38. 87%的比例混合均勻；(2)將步驟(1)中的混合物加入高鋁球磨罐 中并加入混合物質量45-100%的無水乙醇為介質以700-800轉/分鐘的轉速混磨30-60分 鐘，并過200目篩；(3)將步驟(2)所得粉體裝入石墨磨具中，熱壓燒結，在氬氣或真空條件 下，燒結溫度范圍為1100-130(TC，保溫1-2小時，熱壓壓力為5-15Mpa ;(4)將步驟(3)所 得材料自然冷卻至室溫即可得到所要制備的TiAl金屬間化合物復合材料。
5. 根據(jù)權利要求4所述的一種TiAl金屬間化合物復合材料的制備工藝，其特征在于， 步驟如下(l)將純度大于99%，細度小于200目的金屬Ti粉、Al粉以及Cr^粉，按重量 比為59. 10%，36.46%，4.44%的比例混合均勻；(2)將步驟(1)中的混合物加入高鋁球磨 罐中并加入混合物質量50%的無水乙醇為介質以700轉/分鐘的轉速混磨60分鐘，并過 200目篩；(3)將步驟(2)所得粉體裝入石墨磨具中，熱壓燒結，在真空條件下，燒結溫度為 110(TC，保溫2小時，熱壓壓力為5Mpa;(4)將步驟(3)所得材料自然冷卻至室溫即可得到 所要制備的TiAl金屬間化合物復合材料。
6. 根據(jù)權利要求4所述的一種TiAl金屬間化合物復合材料的制備工藝，其特征在于， 步驟如下(1)將純度大于99%，細度小于200目的金屬Ti粉、Al粉以及Cr203粉，按重量 比為48. 07% ，37. 41%， 14. 52%的比例混合均勻;(2)將步驟(1)中的混合物加入高鋁球磨 罐中并加入混合物質量75%的無水乙醇為介質以750轉/分鐘的轉速混磨45分鐘，并過 200目篩；(3)將步驟(2)所得粉體裝入石墨磨具中，熱壓燒結，在真空條件下，燒結溫度為 120(TC，保溫1. 5小時，熱壓壓力為7. 5Mpa ;(4)將步驟(3)所得材料自然冷卻至室溫即可 得到所要制備的TiAl金屬間化合物復合材料。
7. —種TiAl金屬間化合物復合材料，其特征在于，它由基體相和增強相兩部分組成， 基體相占復合材料總重量的99. 5-72%，增強相占總重量的0. 5-28%，基體相由占產(chǎn)物總 重量36. 03-98. 86%的TiAl相和0. 64-35. 97%的Cr2Al組成，其余為增強相A1203。
8. 根據(jù)權利要求7所述的一種TiAl金屬間化合物復合材料，其特征在于，它由基體相 和增強相兩部分組成，基體相占復合材料總重量的97%，增強相占總重量的3%，基體相由 占產(chǎn)物總重量93. 15%的TiAl相和3. 85%的Cr2Al組成，其余為3%增強相A1203。
9. 根據(jù)權利要求7所述的一種TiAl金屬間化合物復合材料，其特征在于，它由基體相 和增強相兩部分組成，基體相占復合材料總重量的90%，增強相占總重量的10%，基體相 由占產(chǎn)物總重量77. 15X的TiAl相和12. 85X的CiVU組成，其余為10%的增強相A1203。
全文摘要
一種TiAl金屬間化合物復合材料及其制備方法，利用重量比分別為21.45-63.14％Ti粉、36.12-39.69％Al粉和0.74-38.87％Cr2O3粉經(jīng)熱壓燒結工藝，通過鋁熱反應在基體相生成的過程中自生顆粒增強相，制備了Al2O3彌散相強韌化基體相TiAl的細晶復合材料，并利用反應生成的Cr對基體相進行微合金化改善；由于該復合材料成分可調(diào)性大，燒成溫度低，結構均勻致密，成本較低，力學性能優(yōu)異，拓寬了其應用范圍；另外，該方法降低了燒成溫度及熱壓壓力，在快速燒成中實現(xiàn)了晶粒微晶化。
文檔編號C22C1/05GK101701305SQ20091021931
公開日2010年5月5日 申請日期2009年12月3日 優(yōu)先權日2009年12月3日
發(fā)明者周勇, 朱建鋒, 楊文文, 楊海波, 林營, 王芬, 齊國權 申請人:陜西科技大學