Al基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，具體涉及一種鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Ti3Al金屬間化合物與普通鈦合金相比，其密度相當(dāng)而使用溫度更高(600?750°C )，適合于制作航空航天飛行器中承受較高溫度的結(jié)構(gòu)件，相比于鎳基高溫合金，能減重40%左右，從而不僅能極大地提高發(fā)動(dòng)機(jī)單位重量的推力，而且能改善發(fā)動(dòng)機(jī)的其它性能，受到研宄者的廣泛關(guān)注。但由于室溫脆性問題遲遲未被突破，其應(yīng)用化進(jìn)程受阻。國內(nèi)在Ti3Al的強(qiáng)韌化機(jī)制、合金化、制造工藝、組織性能研宄方面開展了大量研宄，取得了重要突破，發(fā)展而成的TD2、TAC-1合金都已進(jìn)入應(yīng)用研宄階段，作為轉(zhuǎn)子零件的TD2合金的渦輪導(dǎo)風(fēng)板也成功地經(jīng)受了發(fā)動(dòng)機(jī)試車考驗(yàn)；利用TAC-1合金優(yōu)異的超塑性和良好的焊接性能，已制作成功宇航用渦輪殼體組件、衛(wèi)星波紋板以及姿態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)部件等多個(gè)試驗(yàn)件，參見文獻(xiàn)(張永剛，韓雅芳，陳國良，郭建亭，萬曉景，馮滌，金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料，北京:國防工業(yè)出版社，2001)。
[0003]復(fù)合材料技術(shù)被認(rèn)為是改善Ti3Al基合金性能的另一種有效途徑。相對于長纖維(如SiC)增強(qiáng)復(fù)合材料，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料對基體和增強(qiáng)相的熱膨脹系數(shù)不匹配性和化學(xué)反應(yīng)敏感性小，且顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料具有制備簡單、各向同性、易二次加工等優(yōu)點(diǎn)。Ti3AlC和Ti3AlC2S元碳化物兼具金屬和陶瓷的雙重優(yōu)異性能，受到了廣泛關(guān)注，且Ti 3A1C和11#1(:2與Ti 3A1的熱膨脹系數(shù)接近，成為Ti3Al基復(fù)合材料理想的增強(qiáng)相。
[0004]在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)魏尊杰等人熔化海綿鈦、高純鋁和Al/TiC中間合金獲得鑄錠，為了保證化學(xué)成分均勻，鑄錠被重熔三次，從而獲得原位自生Ti3Al金屬間化合物基復(fù)合材料(魏尊杰，王宏偉，張二林，張虎，曾松巖，原位自生Ti3Al金屬間化合物基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，材料科學(xué)與工藝，2001，9 (I): 100-103)。上述方法工藝復(fù)雜，工序繁多，周期長，并且產(chǎn)物中有雜質(zhì)相TiC存在，生產(chǎn)成本高。雖然文獻(xiàn)報(bào)道了國外有關(guān)SiC纖維增強(qiáng)的Ti3Al基復(fù)合材料(姜國慶，武高輝，劉艷梅，連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦鋁金屬間化合物基復(fù)合材料的研宄進(jìn)展，材料導(dǎo)報(bào)，2008，22:404-408，433)，但存在制備成本高，工藝有待優(yōu)化，界面問題及增強(qiáng)體與基體熱膨脹不匹配問題導(dǎo)致界面開裂等?？v觀國內(nèi)，還尚未見以T1、Al、TiC和碳納米管為原料，采用壓力協(xié)助原位合成技術(shù)制備Ti3AlC-Ti3AlC2/Ti3Al基復(fù)合材料的研宄報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料及其制備方法，該方法制備工藝簡單、成本低、制得的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)致密，并利用熱壓燒結(jié)達(dá)到良好的界面結(jié)合，解決了現(xiàn)有的連續(xù)纖維增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的制備方法復(fù)雜、效率低、成本高等問題。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一、按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，將64.79?79.89%的Ti粉、15.61?15.69%的Al粉、3.02?18.04%的TiC粉和1.48%的碳納米管裝入球磨罐中，球磨至物料混合均勻，得到混合粉體；
[0009]步驟二、將得到的混合粉體烘干后裝入模具中，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)固化，從室溫升溫至1200?1400°C的燒結(jié)溫度，并在燒結(jié)溫度及20?40MPa的壓力下保溫l_4h，然后自然冷卻，得到鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料。
[0010]所述的碳納米管的直徑為I?3納米。
[0011]所述步驟一中采用濕法球磨，以無水乙醇或丙酮為球磨介質(zhì)，球料比為(5?7): 1，在500?750轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下球磨I?10小時(shí)，使物料混合均勻。
[0012]所述的球磨是在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行的，采用的球磨罐為不銹鋼球磨罐，并采用不銹鋼球作為磨球。
[0013]所述步驟二中的模具為石墨模具，并且在模具內(nèi)部鋪放有石墨紙。
[0014]所述步驟二中以5?10°C /分鐘的升溫速率從室溫升至燒結(jié)溫度。
[0015]所述步驟二中的真空熱壓燒結(jié)固化過程采取分段式施加壓力，當(dāng)溫度升到200?300°C時(shí)打開加壓裝置，調(diào)節(jié)壓力至6?8MPa，維持壓力不變直到溫度達(dá)到700?800°C，之后溫度每升高35?55°C時(shí)增加壓力1.5?2.5MPa，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的燒結(jié)溫度時(shí)，調(diào)節(jié)壓力至最大為20?40MPa，并在保溫過程中維持壓力不變。
[0016]鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料，由基體相和增強(qiáng)相組成，不含雜質(zhì)相，其中基體相為Ti3Al,增強(qiáng)相為Ti3AlC和Ti3AlC2O
[0017]所述的增強(qiáng)相呈顆粒狀和針狀分布在基體相中；或者增強(qiáng)相形成網(wǎng)絡(luò)狀組織結(jié)構(gòu)，并且部分增強(qiáng)相釘扎在基體相中。
[0018]其彎曲強(qiáng)度為263.3?366.9MPa，斷裂韌性為2.72?3.89MPa.m1/2。
[0019]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為:
[0020]本發(fā)明提供了一種鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的制備方法，利用T1、Al、TiC和碳納米管之間的原位反應(yīng)獲得鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料，制得的復(fù)合材料由基體相和增強(qiáng)相組成。該方法制備周期短、工序簡單、材料利用率高、成本低，制得的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，并利用熱壓燒結(jié)達(dá)到良好的界面結(jié)合效果，而且碳納米管的引入有助于獲得纖維狀形態(tài)的增強(qiáng)相，從而提高制得的復(fù)合材料的性能。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的連續(xù)纖維增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的制備方法復(fù)雜、效率低、成本高和α2與長纖維的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的基體開裂等問題。并且通過調(diào)控TiC與碳納米管的比例，能夠調(diào)控生成的增強(qiáng)相(鈦鋁碳)的量及形態(tài)，從而獲得復(fù)合材料中不同形貌的增強(qiáng)相。該方法屬于近凈成形，燒結(jié)制備的零件不需要或只需要少量的后續(xù)加工，非常適合于工業(yè)生產(chǎn)，有望實(shí)現(xiàn)Ti3Al基合金的工程應(yīng)用。
[0021]本發(fā)明制得的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的基體相為Ti3Al,增強(qiáng)相為Ti3AlC-Ti3AlC2雙柔性增強(qiáng)相，無其它雜質(zhì)相如TiC等存在，構(gòu)成了雙柔性增強(qiáng)相協(xié)同增強(qiáng)Ti3Al的結(jié)構(gòu)，碳納米管的引入可大大發(fā)揮其增強(qiáng)作用，并且雙柔性增強(qiáng)相的形成在提升Ti3Al合金性能的同時(shí)也保證了其低廉的制備成本，通過原位工藝，增強(qiáng)相與基體相之間的界面干凈，結(jié)合效果好。該復(fù)合材料具有很好的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性，解決了現(xiàn)有Ti3Al合金的室溫脆性和高溫下強(qiáng)度不足的問題。
[0022]進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料中，當(dāng)增強(qiáng)相(Ti3AlC-Ti3AlC2)的含量較低時(shí)，增強(qiáng)相在基體相中呈顆粒狀和針狀分布；隨著增強(qiáng)相含量的增加，增強(qiáng)相形成了網(wǎng)絡(luò)狀組織結(jié)構(gòu)，且增強(qiáng)相的部分顆粒釘扎在基體相中。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明制備的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的SEM圖。其中(a)、(b)為實(shí)施例1制備的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的SEM圖，(c)、(d)為實(shí)施例2制備的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的SEM圖，(e)、(f)為實(shí)施例3制備的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的SEM圖。
[0024]圖2為本發(fā)明制備的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的XRD圖。其中(a)為實(shí)施例I制備的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的XRD圖譜，(b)為實(shí)施例2制備的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的XRD圖譜，(c)為實(shí)施例3制備的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的XRD圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0026]實(shí)施例1
[0027]步驟一、按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，將79.89%的Ti粉、15.61%的Al粉、3.02%的TiC粉和1.48%的碳納米管(直徑為I納米)裝入不銹鋼球磨罐中，加入200mL無水乙醇作為球磨介質(zhì)，以不銹鋼球?yàn)槟デ?，球料比?:1，在750轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下在行星式球磨機(jī)上濕法球磨2小時(shí)，使物料混合均勻，得到混合粉體；
[0028]步驟二、在石墨模具內(nèi)部放置石墨紙，將混合粉體在50°C烘干后裝入石墨模具中，然后放入真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)固化，以10°C /分鐘的升溫速率從室溫升溫至1350°C的燒結(jié)溫度，在燒結(jié)溫度下保溫2h、保壓30MPa，然后隨爐自然冷卻，得到鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料。其中在加熱過程中，當(dāng)溫度升到200°C時(shí)打開加壓裝置，調(diào)節(jié)壓力至6MPa，維持壓力不變直到溫度達(dá)到750°C，之后溫度每升高50°C時(shí)增加壓力2MPa，當(dāng)溫度達(dá)到燒結(jié)溫度1350°C時(shí)，調(diào)節(jié)壓力至30MPa，并在保溫過程中維持壓力不變。
[0029]圖1 (a)、(b)為實(shí)施例1制備的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的SEM圖，由圖可見，形成了針狀組織和顆粒狀組織的增強(qiáng)相，復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)致密，增強(qiáng)相與基體相的界面結(jié)合良好。
[0030]圖2(a)為實(shí)施例1制備的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的XRD圖譜，由圖可以看出，該復(fù)合材料由Ti3AlC、Ti3AlCjP Ti 3A1相組成，檢測不到T1、Al、TiC和碳納米管等，說明原材料已反應(yīng)完全。
[0031]采用三點(diǎn)彎曲法測量實(shí)施例1制備的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為366.9MPa，采用三點(diǎn)彎曲單邊切口梁法(SENB)測量其斷裂韌性為3.89MPa.m1/2。
[0032]實(shí)施例2
[0033]步驟一、按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，將76.85%的Ti粉、15.62%的Al粉、6.05%的TiC粉和1.48%的碳納米管(直徑為I納米)裝入不銹鋼球磨罐中，加入200mL無水乙醇作為球磨介質(zhì)，以不銹鋼球?yàn)槟デ?，球料比?:1，在750轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下在行星式球磨機(jī)上濕法球磨2小時(shí)，使物料混合均勻，得到混合粉體；
[0034]步驟二、在石墨模具內(nèi)部放置石墨紙，將混合粉體在50°C烘干后裝入石墨模具中，然后放入真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)固化，以10°C /分鐘的升溫速率從室溫升溫至1350°C的燒結(jié)溫度，在燒結(jié)溫度下保溫2h、保壓30MPa后隨爐自然冷卻，得到鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料。其中在加熱過程中，當(dāng)溫度升到200°C時(shí)打開加壓裝置，調(diào)節(jié)壓力至6MPa，維持壓力不變直到溫度達(dá)到750°C，之后溫度每升高50°C時(shí)增加壓力2MPa，當(dāng)溫度達(dá)到燒結(jié)溫度1350°C時(shí)，調(diào)節(jié)壓力至最大為30MPa，并在保溫過程中維持壓力不變。
[0035]圖1 (c)、(d)為實(shí)施例2制備的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的SEM圖，由圖可見，形成了網(wǎng)絡(luò)狀組織結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)相，且部分增強(qiáng)相的顆粒釘扎在基體相中，復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)致密，增強(qiáng)相與基體相的界面結(jié)合良好。
[0036]圖2(b)為實(shí)施例2制備的鈦鋁碳陶瓷增強(qiáng)Ti3Al基復(fù)合材料的XRD圖譜，由圖可以看出，該復(fù)合材料由Ti3AlC、Ti3AlCjP Ti 3A1相組成，檢測不到T1、Al、TiC和碳納米管等，說明原材料已反應(yīng)完全。
[0037]采用三點(diǎn)彎曲法測量實(shí)施例2制備的鈦鋁碳陶瓷增