一种钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料及其制备方法，主要解决现有Ti3Al合金的室温脆性和高温下强度不足以及连续纤维增强Ti3Al基复合材料的制备方法复杂、效率低、成本高和α2与长纤维的热膨胀系数不匹配导致的基体开裂等问题。该方法将Ti粉、Al粉、TiC粉和碳纳米管按照一定比例加入球磨罐中，进行湿法球磨，再经过干燥后装入石墨模具中，在真空热压烧结炉中烧结固化，经冷却后得到钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料。本发明专利技术制备的钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料的增强相由Ti3AlC和Ti3AlC2相组成，制备工序简单、效率高、成本低、增强相/基体界面结合效果好，尤其适用于Ti3Al合金的制造领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料科学与工程领域，具体涉及一种钛铝碳陶瓷增强Ti3。
技术介绍
Ti3Al金属间化合物与普通钛合金相比，其密度相当而使用温度更高(600?750°C )，适合于制作航空航天飞行器中承受较高温度的结构件，相比于镍基高温合金，能减重40%左右，从而不仅能极大地提高发动机单位重量的推力，而且能改善发动机的其它性能，受到研宄者的广泛关注。但由于室温脆性问题迟迟未被突破，其应用化进程受阻。国内在Ti3Al的强韧化机制、合金化、制造工艺、组织性能研宄方面开展了大量研宄，取得了重要突破，发展而成的TD2、TAC-1合金都已进入应用研宄阶段，作为转子零件的TD2合金的涡轮导风板也成功地经受了发动机试车考验；利用TAC-1合金优异的超塑性和良好的焊接性能，已制作成功宇航用涡轮壳体组件、卫星波纹板以及姿态发动机部件等多个试验件，参见文献(张永刚，韩雅芳，陈国良，郭建亭，万晓景，冯涤，金属间化合物结构材料，北京:国防工业出版社，2001)。复合材料技术被认为是改善Ti3Al基合金性能的另一种有效途径。相对于长纤维(如SiC)增强复合材料，颗粒增强复合材料对基体和增强相的热膨胀系数不匹配性和化学反应敏感性小，且颗粒增强复合材料具有制备简单、各向同性、易二次加工等优点。Ti3AlC和Ti3AlC2S元碳化物兼具金属和陶瓷的双重优异性能，受到了广泛关注，且Ti 3A1C和11#1(:2与Ti 3A1的热膨胀系数接近，成为Ti3Al基复合材料理想的增强相。在国内，哈尔滨工业大学魏尊杰等人熔化海绵钛、高纯铝和Al/TiC中间合金获得铸锭，为了保证化学成分均匀，铸锭被重熔三次，从而获得原位自生Ti3Al金属间化合物基复合材料(魏尊杰，王宏伟，张二林，张虎，曾松岩，原位自生Ti3Al金属间化合物基复合材料的微观结构，材料科学与工艺，2001，9 (I): 100-103)。上述方法工艺复杂，工序繁多，周期长，并且产物中有杂质相TiC存在，生产成本高。虽然文献报道了国外有关SiC纤维增强的Ti3Al基复合材料(姜国庆，武高辉，刘艳梅，连续纤维增强钛铝金属间化合物基复合材料的研宄进展，材料导报，2008，22:404-408，433)，但存在制备成本高，工艺有待优化，界面问题及增强体与基体热膨胀不匹配问题导致界面开裂等。纵观国内，还尚未见以T1、Al、TiC和碳纳米管为原料，采用压力协助原位合成技术制备Ti3AlC-Ti3AlC2/Ti3Al基复合材料的研宄报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种钛铝碳陶瓷增强Ti3，该方法制备工艺简单、成本低、制得的产品结构致密，并利用热压烧结达到良好的界面结合，解决了现有的连续纤维增强Ti3Al基复合材料的制备方法复杂、效率低、成本高等问题。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是:一种钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料的制备方法，包括以下步骤:步骤一、按质量分数计，将64.79?79.89%的Ti粉、15.61?15.69%的Al粉、3.02?18.04%的TiC粉和1.48%的碳纳米管装入球磨罐中，球磨至物料混合均匀，得到混合粉体；步骤二、将得到的混合粉体烘干后装入模具中，进行真空热压烧结固化，从室温升温至1200?1400°C的烧结温度，并在烧结温度及20?40MPa的压力下保温l_4h，然后自然冷却，得到钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料。所述的碳纳米管的直径为I?3纳米。所述步骤一中采用湿法球磨，以无水乙醇或丙酮为球磨介质，球料比为(5?7): 1，在500?750转/分钟的转速下球磨I?10小时，使物料混合均匀。所述的球磨是在行星式球磨机上进行的，采用的球磨罐为不锈钢球磨罐，并采用不锈钢球作为磨球。所述步骤二中的模具为石墨模具，并且在模具内部铺放有石墨纸。所述步骤二中以5?10°C /分钟的升温速率从室温升至烧结温度。所述步骤二中的真空热压烧结固化过程采取分段式施加压力，当温度升到200?300°C时打开加压装置，调节压力至6?8MPa，维持压力不变直到温度达到700?800°C，之后温度每升高35?55°C时增加压力1.5?2.5MPa，当温度达到设定的烧结温度时，调节压力至最大为20?40MPa，并在保温过程中维持压力不变。钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料，由基体相和增强相组成，不含杂质相，其中基体相为Ti3Al,增强相为Ti3AlC和Ti3AlC2O所述的增强相呈颗粒状和针状分布在基体相中；或者增强相形成网络状组织结构，并且部分增强相钉扎在基体相中。其弯曲强度为263.3?366.9MPa，断裂韧性为2.72?3.89MPa.m1/2。相对于现有技术，本专利技术的有益效果为:本专利技术提供了一种钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料的制备方法，利用T1、Al、TiC和碳纳米管之间的原位反应获得钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料，制得的复合材料由基体相和增强相组成。该方法制备周期短、工序简单、材料利用率高、成本低，制得的复合材料结构致密，并利用热压烧结达到良好的界面结合效果，而且碳纳米管的引入有助于获得纤维状形态的增强相，从而提高制得的复合材料的性能。本专利技术解决了现有的连续纤维增强Ti3Al基复合材料的制备方法复杂、效率低、成本高和α2与长纤维的热膨胀系数不匹配导致的基体开裂等问题。并且通过调控TiC与碳纳米管的比例，能够调控生成的增强相(钛铝碳)的量及形态，从而获得复合材料中不同形貌的增强相。该方法属于近净成形，烧结制备的零件不需要或只需要少量的后续加工，非常适合于工业生产，有望实现Ti3Al基合金的工程应用。本专利技术制得的钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料的基体相为Ti3Al,增强相为Ti3AlC-Ti3AlC2双柔性增强相，无其它杂质相如TiC等存在，构成了双柔性增强相协同增强Ti3Al的结构，碳纳米管的引入可大大发挥其增强作用，并且双柔性增强相的形成在提升Ti3Al合金性能的同时也保证了其低廉的制备成本，通过原位工艺，增强相与基体相之间的界面干净，结合效果好。该复合材料具有很好的弯曲强度和断裂韧性，解决了现有Ti3Al合金的室温脆性和高温下强度不足的问题。进一步的，本专利技术提供的钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料中，当增强相(Ti3AlC-Ti3AlC2)的含量较低时，增强相在基体相中呈颗粒状和针状分布；随着增强相含量的增加，增强相形成了网络状组织结构，且增强相的部分颗粒钉扎在基体相中。【附图说明】图1为本专利技术制备的钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料的SEM图。其中(a)、(b)为实施例1制备的钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料的SEM图，(c)、(d)为实施例2制备的钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料的SEM图，(e)、(f)为实施例3制备的钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料的SEM图。图2为本专利技术制备的钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料的XRD图。其中(a)为实施例I制备的钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料的XRD图谱，(b)为实施例2制备的钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料的XRD图谱，(c)为实施例3制备的钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料的XRD图谱。【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明。实施例1步骤一、按质量分数计，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、按质量分数计，将64.79～79.89％的Ti粉、15.61～15.69％的Al粉、3.02～18.04％的TiC粉和1.48％的碳纳米管装入球磨罐中，球磨至物料混合均匀，得到混合粉体；步骤二、将得到的混合粉体烘干后装入模具中，进行真空热压烧结固化，从室温升温至1200～1400℃的烧结温度，并在烧结温度及20～40MPa的压力下保温1‑4h，然后自然冷却，得到钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：艾桃桃，于琦，邓志峰，袁新强，李文虎，邹祥宇，蒋鹏，
申请(专利权)人：陕西理工学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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