AlC/TiAl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，涉及顆粒增強TiAl基復(fù)合材料的制備方法，具 體涉及一種Ti2AKVTiAl基復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] Ti-Al系金屬間化合物因其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能與低的密度在航空航天等領(lǐng)域受 到廣泛關(guān)注。TiAl基合金具有高的比強度和比模量、良好的抗氧化性能和高的抗蠕變性能， 是一種極具應(yīng)用潛力的新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。但TiAl基合金室溫塑性和韌性差，難以成 形加工，溫度在800°C以上抗氧化性能嚴(yán)重不足等問題限制了其實際應(yīng)用。有關(guān)提高其室溫 塑性和高溫抗氧化性能的研宄已取得明顯效果，文獻(xiàn)（張永剛，韓雅芳，陳國良，郭建亭，萬 曉景，馮絳，金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料，北京：國防工業(yè)出版社，2001)表明，通過添加 Cr、Μη、 Fe、Co、Ni、Cu、V及Zn等第3元素可以大大改善其室溫脆性；通過添加 Nb、Mo等合金元素 可改善其高溫性能。
[0003] 除合金化技術(shù)外，復(fù)合化技術(shù)被認(rèn)為是改善TiAl基合金性能的另一種有效途徑。 TiAl基復(fù)合材料綜合了 TiAl金屬間化合物和陶瓷的優(yōu)點。相對于長纖維增強復(fù)合材料，顆 粒增強復(fù)合材料對基體和增強相的熱膨脹系數(shù)不匹配性和化學(xué)反應(yīng)敏感性小，且顆粒增強 復(fù)合材料具有制備簡單、各向同性、易二次加工等優(yōu)點。目前，三元柔性化合物M n+1AXn(M代 表過渡金屬元素，A代表第III或第IV主族，X是C或N，簡稱MAX)因兼具金屬和陶瓷的雙重 優(yōu)異性能，受到了廣泛關(guān)注，代表性化合物有Ti 2AlC和Ti3AlC2，且Ti2AlC (8. 8 X KT6IT1)和 Ti3AlC2 (9. OX KT6IT1)與TiAl的熱膨脹系數(shù)接近，成為TiAl基復(fù)合材料理想的增強相，使 Ti2AKVTiAl復(fù)合材料成為優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料的首選。
[0004] 目前，有關(guān)Ti2AKVTiAl基復(fù)合材料的研宄報道主要有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳玉勇 等人以Ti、Al和碳納米管為原料，采用機械合金化與等離子燒結(jié)制備Ti 2AlC/TiAl復(fù)合材 料（楊非，機械合金化與等離子燒結(jié)制備Ti2AKVTiAl復(fù)合材料的組織性能研宄，哈爾濱工 業(yè)大學(xué)：碩士學(xué)位論文，2006)，并研宄了其壓縮強度和硬度等力學(xué)性能。濟南大學(xué)的岳云 龍等人采用放電等離子燒結(jié)（SPS)技術(shù)原位制備了 Ti2AKVTiAl復(fù)合材料，研宄了多步熱 處理對Ti2AKVTiAl顯微組織與力學(xué)性能的影響（岳云龍，王志杰，吳海濤，蘇通，徐言超， 多步熱處理對Ti 2AKVTiAl復(fù)合材料組織與性能的影響，稀有金屬材料與工程，2006,（4): 600-604)。西北工業(yè)大學(xué)曾凌霄等人采用自蔓延燃燒合成及真空電弧熔煉的方法，以碳纖 維、鈦粉及鋁粉為原料，合成了 Ti2AKVTiAl復(fù)合材料，研宄了反應(yīng)合成過程（曾凌霄，常 輝，胡銳，張鐵邦，李金山，自生Ti 2AKVTiAl復(fù)合材料的組織及反應(yīng)過程，稀有金屬材料與 工程，2013,（4) :785-788)。上述方法及制備體系在反應(yīng)過程中放熱強烈，工藝控制難度大， 且常常需要后續(xù)熱處理和致密化工序，周期長，生產(chǎn)所需能耗大，增加了生成成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種Ti2AKVTiAl基復(fù)合材料及其制備方法，該方法制備 工藝簡單，燒結(jié)溫度低，制得的復(fù)合材料晶粒尺寸細(xì)小，增強相分布均勻，結(jié)構(gòu)致密，提高了 現(xiàn)有TiAl基復(fù)合材料的韌性和強度。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種Ti2AKVTiAl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，將65. 78~68. 44%的Ti粉和31. 56~34. 22%的Al粉 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、將混合粉體烘干后裝入模具中，在常壓下進(jìn)行燒結(jié)，從室溫升溫至850~ 950°C的燒結(jié)溫度，在燒結(jié)溫度下保溫30~120分鐘，然后自然冷卻，得到TixAly材料，對 TixAly材料進(jìn)行破碎、球磨，獲得Ti xAly粉體；
[0010] 步驟三、按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計，將〇~50%的Ti3AlC2粉體與50~100%的Ti xAly粉體 裝入球磨罐中，球磨混合均勻后裝入模具中，然后進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)固化，從室溫升溫至 1000~1200°C的燒結(jié)溫度，并在燒結(jié)溫度及20~40MPa的壓力下保溫30~240分鐘，然 后自然冷卻，得到Ti 2AKVTiAl基復(fù)合材料。
[0011] 所述步驟一、步驟二和步驟三中均采用濕法球磨，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1~10小時。
[0012] 所述的球磨是在行星式球磨機上進(jìn)行的，采用的球磨罐為不銹鋼球磨罐，采用不 銹鋼球作為磨球。
[0013] 所述步驟二和步驟三中以5~KTC /分鐘的升溫速率從室溫升至燒結(jié)溫度。
[0014] 所述步驟二和步驟三中的模具為石墨模具，并在模具內(nèi)部鋪放有石墨紙。
[0015] 所述步驟二中的TixAly粉體由TiAl、Ti 3A1、TiAl2組成。
[0016] 所述步驟三中的真空熱壓燒結(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時增加壓力L 5~3MPa，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的燒結(jié)溫度時，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。
[0017] Ti2AlCVTiAl基復(fù)合材料，由基體相和增強相組成，不含雜質(zhì)相，其中基體相為 TiAl，增強相為Ti2AlC。
[0018] 其彎曲強度為277~994MPa，斷裂韌性為5. 8~7. 3MPa · m1/2。
[0019] 所述的增強相在基體相中呈彌散狀分布，且部分增強相釘扎在基體相中。
[0020] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：
[0021] 本發(fā)明提供了一種利用11，1廠11#1(：2體系制備Ti 2AlC/TiAl基復(fù)合材料的方法， 首先利用Ti/Al之間的反應(yīng)制得TixAly粉體，然后以Ti xAljP Ti 3A1C2為原料，將Ti，1#口 Ti3AKyi磨混合均勻后，再進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)固化，即得到Ti 2AlC/TiAl基復(fù)合材料。該方 法的制備過程中體系放熱量適中，利用TixAl y粉體中TiAl 2和Ti 3A1之間的反應(yīng)，使得反應(yīng) 過程容易控制，極大降低了 Ti2AKVTiAl基復(fù)合材料的制備溫度，且11，、粉體中的TiAl和 原料Ti3AlC 2中含有的少量TiC亦可反應(yīng)形成Ti 2A1C，消除了 TiC雜質(zhì)相的存在，而且在真 空熱壓燒結(jié)固化過程中11#1(：2完全分解轉(zhuǎn)化為增強相Ti 2A1C，用于增強TiAl基體。本發(fā)明 采用了原位熱壓固化技術(shù)，主要通過11#1(：2的分解反應(yīng)獲得增強相Ti 2A1C (現(xiàn)有Ti2AlC/ TiAl基復(fù)合材料的增強相主要是通過合成反應(yīng)形成的），該方法工藝簡單易行、燒結(jié)溫度 低、工藝可控性強、制備成本低、非常適合工業(yè)生產(chǎn)，制得的Ti 2AKVTiAl基復(fù)合材料的性能 優(yōu)異、強韌化效果明顯，可大大改善TiAl金屬間化合物的強度和韌性，有助于實現(xiàn)TiAl基 合金的工程應(yīng)用。
[0022] 本發(fā)明制得的Ti2AKVTiAl基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，其基體相為TiAl，增強相為 Ti2AlC,增強相分布均勻，增強相與基體相之間的界面干凈、晶粒尺寸細(xì)小。本發(fā)明制得的 Ti2AKVTiAl基復(fù)合材料具有高強、高韌、可加工等特點，性能得到了很大的提高，顯著改善 了 TiAl基合金的彎曲強度和斷裂韌性，有望用于制造航空發(fā)動機部件及超高速飛行器的 翼和殼體。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明制備的Ti2AKVTiAl基復(fù)合材料的XRD圖，其中（a)為Ti3AlC 2粉的 XRD圖譜，（b)為TixAly粉的XRD圖譜，（c)~（e)分別為實施例1