[發明專利]一種鈦鋁碳陶瓷增強Ti3Al基復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201510212911.5
• 申請日: 2015-04-29
• 公開（公告）號: CN104789808A
• 公開（公告）日: 2015-07-22
• 發明（設計）人: 艾桃桃;于琦;鄧志峰;袁新強;李文虎;鄒祥宇;蔣鵬
• 申請（專利權）人: 陜西理工學院
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C14/00;C22C32/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明屬于材料科學與工程領域，具體涉及一種鈦鋁碳陶瓷增強Ti₃Al基復合材料及其制備方法。

背景技術

Ti₃Al金屬間化合物與普通鈦合金相比，其密度相當而使用溫度更高(600～750℃)，適合于制作航空航天飛行器中承受較高溫度的結構件，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動機單位重量的推力，而且能改善發動機的其它性能，受到研究者的廣泛關注。但由于室溫脆性問題遲遲未被突破，其應用化進程受阻。國內在Ti₃Al的強韌化機制、合金化、制造工藝、組織性能研究方面開展了大量研究，取得了重要突破，發展而成的TD2、TAC-1合金都已進入應用研究階段，作為轉子零件的TD2合金的渦輪導風板也成功地經受了發動機試車考驗；利用TAC-1合金優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、衛星波紋板以及姿態發動機部件等多個試驗件，參見文獻(張永剛，韓雅芳，陳國良，郭建亭，萬曉景，馮滌，金屬間化合物結構材料，北京：國防工業出版社，2001)。

復合材料技術被認為是改善Ti₃Al基合金性能的另一種有效途徑。相對于長纖維(如SiC)增強復合材料，顆粒增強復合材料對基體和增強相的熱膨脹系數不匹配性和化學反應敏感性小，且顆粒增強復合材料具有制備簡單、各向同性、易二次加工等優點。Ti₃AlC和Ti₃AlC₂三元碳化物兼具金屬和陶瓷的雙重優異性能，受到了廣泛關注，且Ti₃AlC和Ti₃AlC₂與Ti₃Al的熱膨脹系數接近，成為Ti₃Al基復合材料理想的增強相。

在國內，哈爾濱工業大學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金屬間化合物基復合材料的微觀結構，材料科學與工藝，2001，9(1)：100-103)。上述方法工藝復雜，工序繁多，周期長，并且產物中有雜質相TiC存在，生產成本高。雖然文獻報道了國外有關SiC纖維增強的Ti₃Al基復合材料(姜國慶，武高輝，劉艷梅，連續纖維增強鈦鋁金屬間化合物基復合材料的研究進展，材料導報，2008，22：404-408，433)，但存在制備成本高，工藝有待優化，界面問題及增強體與基體熱膨脹不匹配問題導致界面開裂等。縱觀國內，還尚未見以Ti、Al、TiC和碳納米管為原料，采用壓力協助原位合成技術制備Ti₃AlC-Ti₃AlC₂/Ti₃Al基復合材料的研究報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種鈦鋁碳陶瓷增強Ti₃Al基復合材料及其制備方法，該方法制備工藝簡單、成本低、制得的產品結構致密，并利用熱壓燒結達到良好的界面結合，解決了現有的連續纖維增強Ti₃Al基復合材料的制備方法復雜、效率低、成本高等問題。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種鈦鋁碳陶瓷增強Ti₃Al基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、按質量分數計，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；

步驟二、將得到的混合粉體烘干后裝入模具中，進行真空熱壓燒結固化，從室溫升溫至1200～1400℃的燒結溫度，并在燒結溫度及20～40MPa的壓力下保溫1-4h，然后自然冷卻，得到鈦鋁碳陶瓷增強Ti₃Al基復合材料。

所述的碳納米管的直徑為1～3納米。

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，球料比為(5～7):1，在500～750轉/分鐘的轉速下球磨1～10小時，使物料混合均勻。

所述的球磨是在行星式球磨機上進行的，采用的球磨罐為不銹鋼球磨罐，并采用不銹鋼球作為磨球。

所述步驟二中的模具為石墨模具，并且在模具內部鋪放有石墨紙。