一種鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料及其熱壓燒結(jié)制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料，所述復合材料包含如下體積百分數(shù)的原料：5～50%鈦鋁碳，余量為鋅鋁合金。本發(fā)明提供的復合材料中顆粒增強相分布均勻，基體與增強相之間結(jié)合緊密，缺陷少，具有良好的物理性能和力學性能。本發(fā)明還公開了制備上述鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料的熱壓燒結(jié)制備方法。
【專利說明】一種鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料及其熱壓燒結(jié)制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬基復合材料及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料及其熱壓燒結(jié)制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋅鋁合金(ZA8、ZA12、ZA22、ZA27等合金系列)具有優(yōu)良的力學性能、鑄造性能、機械加工性能及摩擦磨損性能，同時原材料成本低、熔化能耗小,現(xiàn)已在很多場合成功地替代青銅、黃銅、鋁合金等材料，在軸承、軸套、軸瓦等耐磨密封件方面得到了廣泛的應(yīng)用。但由于鋅的熔點低(419.5°C)，使得鋅鋁合金的共晶溫度低，凝固區(qū)間大，實際固相點大致在380°C左右，因而合金只能在低于100°C的情況下使用，在100°C以上時其抗拉強度和蠕變強度顯著降低。而在實際摩擦磨損過程中，由于潤滑不良及高速運轉(zhuǎn)，摩擦副的溫升有時高達150°C甚至200°C以上，這顯然會嚴重惡化鋅鋁合金的使用性能，使其應(yīng)用范圍和使用壽命受到很大的限制。
[0003]為了提高鋅鋁合金的使用溫度和性能，滿足苛刻條件下的使用需求，從上世紀80年代開始，發(fā)展了多種以陶瓷顆粒、晶須或纖維為增強相的鋅鋁基復合材料，改善了鋅鋁合金的高溫力學性能，也同時提高了材料的室溫強度和耐磨性，并降低了鋅鋁合金過高的熱膨脹系數(shù)。其中顆粒增強鋅鋁基復合材料工藝簡單、成本較低，是鋅鋁基復合材料研究與開發(fā)的重點。目前用于強化鋅鋁合金的陶瓷顆粒增強相包括氧化鋁、碳化硅、碳化鈦、硅以及石墨等。復合材料制備工藝有熔體攪拌鑄造法、噴射成型法、粉末熱鍛法、疊層復合法和原位生成復合法等。例如發(fā)明專利“噴射沉積納米顆粒增強鋅基復合材料及其制備方法”(申請?zhí)?01010557276.1)采用噴射沉積技術(shù)制備了納米碳化鈦顆粒增強的鋅鋁基復合材料；發(fā)明專利“一種硅顆粒增強鋅基復合材料的制備方法”(申請?zhí)?00810155784.X)采用熔體澆注法制備了硅顆粒增強的鋅基復合材料；發(fā)明專利“一種陶瓷粉末增強鋅鋁合金基復合材料的制備方法”(申請?zhí)?01110341289.X)采用粉末熱鍛法制備了碳化硅、氧化鋁、氧化鋯等陶瓷顆粒增強的鋅鋁基復合材料；發(fā)明專利“原位顆粒增強鋅基復合材料的制備方法”(申請?zhí)?00710020458.3)采用熔體澆注法制備了 A1203、TiB2+Al3Ti等陶瓷顆粒原位增強的鋅鋁基復合材料；發(fā)明專利“鈦酸鉀晶須增強鋅鋁合金復合材料及其制造方法”(申請?zhí)?8113701.6)采用熔體擠壓復合法制備了鈦酸鉀晶須增強的鋅鋁基復合材料。
[0004]然而到目前為止，鋅鋁基復合材料仍處于研究開發(fā)階段，遠未達到工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用程度，其主要原因在于復合材料中所用的這些顆粒增強相與合金基體之間潤濕性差、顆粒表面易于吸附氣體導致材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷、以及顆粒與基體之間因熱膨脹系數(shù)差異大而造成界面脫開等，這些問題導致顆粒在基體中的割裂作用明顯，增強效果被削弱，從而顯著影響了鋅鋁基復合材料的推廣應(yīng)用。為突破鋅鋁基復合材料發(fā)展的這一瓶頸，尋找更為適合的顆粒增強相無疑是一條行之有效的途徑。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是提供一種鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料，該材料中顆粒增強相分布均勻，基體與增強相之間結(jié)合緊密，缺陷少，具有良好的物理性能和力學性能。
[0006]本發(fā)明要解決的第二個技術(shù)問題是提供一種鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料的熱壓燒結(jié)制備方法。
[0007]為解決上述第一個技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料，所述復合材料包含如下體積百分數(shù)的原料:5~50%鈦鋁碳，余量為鋅鋁
I=1-Wl O
[0008]優(yōu)選地，所述鈦鋁碳為粒度在0.5~20 μ m的顆粒，其純度大于90% ;所述鋅鋁合金為粒度100~400目的粉末。
[0009]為解決上述第二個技術(shù)問題，本發(fā)明提供了該鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料的熱壓燒結(jié)制備方法，該方法包括如下步驟:
[0010]I)將鈦鋁碳粉和鋅鋁合金粉稱量配料；
[0011]2)將步驟I)稱量的兩種粉球磨混合6~48小時；
[0012]3)將步驟2)的混合粉末放入模具中，進行熱壓燒結(jié)，得到鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料。
[0013]優(yōu)選地,步驟2`)所述球磨采用滾筒球磨法。
[0014]優(yōu)選地，步驟3)所述模具為石墨模具。
[0015]優(yōu)選地，步驟3)所述熱壓燒結(jié)的條件為:在真空、氮氣或氬氣氣氛保護下，以10~400C /min的升溫速率升至430~500°C，在10~30MPa壓強下，熱壓燒結(jié)0.5~3小時。
[0016]本發(fā)明所采用的顆粒增強相鈦鋁碳(Ti3AlC2)是一種三元層狀碳化物陶瓷，它既具有類似金屬的高導電、導熱性、高溫塑性和可機械加工性，同時又具有陶瓷的高彈性模量、低密度、高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性能；而且具有自潤滑性和優(yōu)異的摩擦學性能。鈦鋁碳屬六方晶系，其晶體結(jié)構(gòu)中共棱的T1-C八面體被一個Al原子平面層所分隔，C原子位于Ti八面體中心，Ti原子與C原子之間的結(jié)合為強共價鍵，而Ti原子與Al原子層之間的結(jié)合為類似于石墨層間的弱結(jié)合。鈦鋁碳的這些特點使其在作為鋅鋁基復合材料的顆粒增強相時具有以下獨特的優(yōu)勢:
[0017]I)界面相容性好:鈦鋁碳晶體中弱結(jié)合的Al原子層在高溫下可部分脫出進入金屬基體中，由于基體本身含有Al，對從Ti3AlC2中脫出的Al有較好的親和性，這有利于改善基體與增強相之間的潤濕性，從而獲得較理想的界面。Al原子的脫出量與溫度密切相關(guān)，由于鋅基復合材料的制備溫度較低，Al的脫出量較少，但仍足以對兩者的界面產(chǎn)生有利的影響。
[0018]2)有利于提高耐磨性:A1原子弱結(jié)合層的存在使得鈦鋁碳在外力作用下易于沿Al原子層脫開，因而具有優(yōu)異的自潤滑性，這對用作耐磨材料的鋅鋁基復合材料十分有利，尤其是在較惡劣的摩擦環(huán)境下，其作用將更為突出。
[0019]3)熱膨脹系數(shù)匹配:鈦鋁碳的熱膨脹系數(shù)(~IOX KT6IT1)介于普通陶瓷和金屬之間，比其它陶瓷增強相更接近于金屬，因而其與鋅合金之間的熱失配小于其它復合體系，在復合材料溫度變化時，材料內(nèi)的熱應(yīng)力更小，性能更穩(wěn)定。[0020]由此可見，選用鈦鋁碳顆粒來增強鋅鋁合金，是解決目前鋅鋁基復合材料中基體與增強相之間界面結(jié)合不佳這一難題的恰當方法。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:
[0022]I)本發(fā)明的復合材料中鈦鋁碳顆粒增強相分布均勻，基體與增強相之間結(jié)合緊密，缺陷少。
[0023]2)利用熱壓燒結(jié)工藝制備鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料，可使材料接近完全致密，如圖1和圖2所示，復合材料的物理性能和力學性能優(yōu)良。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是實施例2熱壓燒結(jié)工藝制備的鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料的表面微觀形貌圖；
[0025]圖2是實施例2熱壓燒結(jié)工藝制備的鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料的斷口微觀形貌圖。 【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進一步加以說明。
[0027]實施例1
[0028]1.鈦鋁碳粉:本實施例中所用鈦鋁碳粉純度為95%，平均粒徑7.39 μ m。
[0029]2.鋅鋁合金粉:本實施例中所用鋅鋁合金為市售ZA8合金粉，粉末粒度為200目，其質(zhì)量百分比成分如下:Zn91.73%, Al7.95%、Fe0.19%、Si0.10%、其它 0.03%。
[0030]3.將ZA8合金粉與鈦鋁碳粉按照6:4的體積比配料，稱取ZA8粉68.98g，鈦鋁碳粉31.02g，放入球磨罐中滾筒球磨24h，稱取混合粉料30g放入石墨模具中，在8MPa壓強下預(yù)壓成型，將模具放入流動氬氣保護的熱壓爐中，以30°C /min的速率升溫至460°C，在25MPa的壓強下保溫60min。
[0031]所制備40vol%Ti3AlC2/ZA8復合材料的力學性能為:彎曲強度159MPa，維氏硬度IlOHVo
[0032]實施例2
[0033]1.鈦鋁碳粉:本實施例中所用鈦鋁碳粉純度為95%，平均粒徑7.39 μ m。
[0034]2.鋅鋁合金粉:本實施例中所用鋅鋁合金為市售ZA8合金粉，粉末粒度為200目，其質(zhì)量百分比成分如下:Zn91.73%, Al7.95%、Fe0.19%、Si0.10%、其它 0.03%。
[0035]3.將ZA8合金粉與鈦鋁碳粉按照7:3的體積比配料，稱取ZA8粉77.57g，鈦鋁碳粉22.43g，放入球磨罐中混筒球磨48h，稱取混合粉料31g放入石墨模具中，在SMPa壓強下預(yù)壓成型，將模具放入流動氮氣保護的熱壓爐中，以40°C /min的速率升溫至490°C，在30MPa的壓強下保溫120min。
[0036]所制備30vol%Ti3AlC2/ZA8復合材料的力學性能為:彎曲強度316MPa，維氏硬度105HV。
[0037]實施例3
[0038]1.鈦鋁碳粉:本實施例中所用鈦鋁碳粉純度為92%，平均粒徑12.52 μ m。
[0039]2.鋅鋁合金粉:本實施例中所用鋅鋁合金為市售ZA8合金粉，粉末粒度為200目，其質(zhì)量百分比成分如下:Zn91.73%, Al7.95%、Fe0.19%、Si0.10%、其它 0.03%。
[0040]3.將ZA8合金粉與鈦鋁碳粉按照8:2的體積比配料，稱取ZA8粉85.57g，鈦鋁碳粉14.43g，放入球磨罐中混筒球磨36h，稱取混合粉料32g放入石墨模具中，在SMPa壓強下預(yù)壓成型，將模具放入流動氬氣保護的熱壓爐中，以20°C /min的速率升溫至440°C，在15MPa的壓強下保溫180min。
[0041]所制備20vol%Ti3AlC2/ZA8復合材料的力學性能為:彎曲強度320MPa，維氏硬度88HV。
[0042]實施例4
[0043]1.鈦鋁碳粉:本實施例中所用鈦鋁碳粉純度為92%，平均粒徑12.52 μ m。
[0044]2.鋅鋁合金粉:本實施例中所用鋅鋁合金為市售ZA8合金粉，粉末粒度為200目，其質(zhì)量百分比成分如下:Zn91.73%, Al7.95%、Fe0.19%、Si0.10%、其它 0.03%。
[0045]3.將ZA8合金粉與鈦鋁碳粉按照9:1的體積比配料，稱取ZA8粉93.03g,鈦鋁碳粉6.97g，放入球磨罐中混筒球磨12h，稱取混合粉料33g放入石墨模具中，在SMPa壓強下預(yù)壓成型，將模具放入熱壓爐中，在真空條件下以10°C /min的速率升溫至450°C，在25MPa的壓強下保溫60min。
[0046]所制備10vol%Ti3AlC2/ZA8復合材料的力學性能為:彎曲強度259MPa，維氏硬度74HV。
[0047]實施例5
[0048]1.鈦鋁碳粉:本實施例中所用鈦鋁碳粉純度為97%，平均粒徑4.21 μ m。
[0049]2.鋅鋁合金粉:本實施例中所用鋅鋁合金為市售ZA12合金粉，粉末粒度為400目，其質(zhì)量百分比成分如下:Zn88.33%、Al 11.47%、Fe0.07%、Si0.10%、其它 0.03%。
[0050]3.將ZA12合金粉與鈦鋁碳粉按照8:2的體積比配料，稱取ZA12粉84.98g，鈦鋁碳粉15.02g，放入球磨罐中混筒球磨24h，稱取混合粉料31g放入石墨模具中，在IOMPa壓強下預(yù)壓成型，將模具放入流動氬氣保護的熱壓爐中，以25°C /min的速率升溫至440°C，在30MPa的壓強下保溫60min。
[0051]所制備20vol%Ti3AlC2/ZA12復合材料的力學性能為:彎曲強度243MPa，維氏硬度83HV。
[0052]實施例6
[0053]1.鈦鋁碳粉:本實施例中所用鈦鋁碳粉純度為97%，平均粒徑4.21 μ m。
[0054]2.鋅鋁合金粉:本實施例中所用鋅鋁合金為市售ZA27合金粉，粉末粒度為300目，其質(zhì)量百分比成分如下:Ζη72.31%、Α127.47%、Fe0.09%、Si0.10%、其它 0.03%。
[0055]3.將ZA27合金粉與鈦鋁碳粉按照8:2的體積比配料，稱取ZA27粉82.50g,鈦鋁碳粉17.50g,放入球磨罐中混筒球磨36h，稱取混合粉料30g放入石墨模具中，在8MPa壓強下預(yù)壓成型，將模具放入流動氮氣保護的熱壓爐中，以20°C /min的速率升溫至460°C，在25MPa的壓強下保溫90min。
[0056]所制備20v ol%Ti3AlC2/ZA27復合材料的力學性能為:彎曲強度339MPa，維氏硬度117HV。
[0057]本發(fā)明所用鈦鋁碳粉的主要雜質(zhì)為碳化鈦，從理論上來說，碳化鈦的存在對復合材料的性能會有一定的影響，但由于其含量較少，從實際結(jié)果來看，對復合材料性能的影響不大。
[0058]圖1是實施例2熱壓燒結(jié)工藝制備的鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料的表面微觀形貌圖。從圖中可以看出，復合材料中包含3種特征明顯的微觀組織，其中顏色較淺的部分為Zn固溶體相,條紋狀部分為Zn-Al共析組織,而顏色較深的塊體為Ti3AlC2增強相。圖中可見Ti3AlC2顆粒均勻分布在鋅鋁合金基體中，兩者之間界面結(jié)合良好，同時復合材料中有少量氣孔存在。
[0059] 圖2是實施例2熱壓燒結(jié)工藝制備的鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料的斷口微觀形貌圖。由圖可見，鈦鋁碳顆粒增強相以穿晶斷裂方式為主，說明其與鋅鋁合金基體結(jié)合良好。
【權(quán)利要求】
1.一種鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料，其特征在于，所述復合材料包含如下體積百分數(shù)的原料:5~50%鈦鋁碳，余量為鋅鋁合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料，其特征在于:所述鈦鋁碳為粒度在0.5~20 μ m的顆粒，其純度大于90% ;所述鋅鋁合金為粒度100~400目的粉末。
3.—種權(quán)利要求1或2所述鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料的熱壓燒結(jié)制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)將鈦鋁碳粉和鋅鋁合金粉稱量配料； 2)將步驟I)稱量的兩種粉末球磨混合6~48小時； 3)將步驟2)的混合粉末放入模具中，進行熱壓燒結(jié)，得到鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于:步驟2)所述球磨采用滾筒球磨法。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于:步驟3)所述模具為石墨模具。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于:步驟3)所述熱壓燒結(jié)的條件為:在真空、氮氣或氬氣氣氛保護下，以10~40°C /min的升溫速率升至430~500°C，在10~30MPa壓強下，熱壓燒結(jié)0. 5~3小時。
【文檔編號】C22C1/05GK103555982SQ201310520702
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】周洋, 鄭涌, 李海燕, 陳晨, 李世波, 李翠偉, 黃振鶯, 翟洪祥 申請人:北京交通大學