原位自生增强Ni*Al复合材料及其制备方法技术

原位自生增强Ｎｉ↓［３］Ａｌ复合材料及其制备方法，涉及一种复合材料及其制备方法。针对现有Ｎｉ↓［３］Ａｌ基合金存在脆性差的缺陷，本发明专利技术的Ｎｉ↓［３］Ａｌ复合材料由Ｎｉ、Ｂ、Ｔｉ、Ａｌ四种成分组成，其中各成分的化学计量比为Ｎｉ∶Ａｌ＝２．７０４～３∶１，Ｔｉ∶Ｂ＝１．０４～１．４５∶１，ＴｉＢ占复合材料总体积的３～２０％，其制备方法为：活化Ｎｉ－Ａｌ－Ｔｉ－Ｂ体系制得复合粉末，然后应用放电等离子体烧结工艺原位生成ＴｉＢ／Ｎｉ↓［３］Ａｌ复合材料。本发明专利技术制备的ＴｉＢ／Ｎｉ↓［３］Ａｌ复合材料中ＴｉＢ以晶须的形式存在，Ｎｉ↓［３］Ａｌ晶粒细小、组织均匀、力学性能优异的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复合材料及其制备方法，具体涉及一种基于Ni-Al-Ti-B系的原位自生TiB/Ni3Al复合材料及其制备方法。
技术介绍
Ni3Al基合金是研究最多的金属化合物之一，它具有L12型有序晶体结构。Ni3Al单晶在室温下呈塑性，而多晶Ni3Al以脆性晶间断裂模式失效，表明晶界具有本质脆性。Ni3Al合金中出现的反常强化现象，即屈服强度随温度升高而增加的现象，使该合金在较高的温度下具有竞争力。Ni3Al金属间化合物具有抗氧化性好、密度小、较高的室温加工硬化率和较高的高温强度几个特点，被看作下一代顶替高温合金使用的高温结构材料，受到广泛的重视和研究，然而Ni3Al的脆性限制了其广泛应用。细化晶粒是提高其塑性的有效办法，有报道称将Ni3Al的晶粒尺寸降低到纳米级时，其塑性会有很大提高。此外增强相的添加也可提高金属间化合物的塑性。为了充分发挥金属间化合物特性的潜力，许多研究工作者致力于开发金属间化合物复合材料，即金属间化合物与颗粒、纤维、晶须状陶瓷或金属材料的复合材料。放电等离子烧结作为一种新的制备技术，具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等优点，能够在较低烧结温度和较小成型压力条件下将粉末原料烧结成具有高性能的材料。放电等离子烧结工艺是将金属等粉末装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模头及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。原位自生增强技术由于具有十分突出的优点而得到广泛的研究，如增强体与基体具有很好的热力学稳定性，在高温环境中服役时不易破坏；增强体和基体有着直接原子结合的界面结构，界面平直，结合牢固，无反应物或析出相的存在；界面非常洁净，从而解决了常规的外加颗粒增强所产生的污染问题和熔铸过程中存在的增强体与基体间的润湿性问题；增强体尺寸更加细小，分布均匀，具有优良的机械性能。
技术实现思路
针对现有Ni3Al基合金存在脆性差的缺陷，本专利技术旨在通过采用高能球磨法机械活化Ni-Al-Ti-B粉末，采用放电等离子烧结工艺原位生成晶粒细小的TiB/Ni3Al复合材料，该方法制备的材料在提高材料硬度的同时，提高其韧性。本专利技术的原位自生增强Ni3Al复合材料由Ni、B、Ti、Al四种成分组成，其中各成分的化学计量比为Ni∶Al＝2.704～3∶1，Ti∶B＝1.04～1.45∶1，TiB占复合材料总体积的3～20％。原位自生增强Ni3Al复合材料的制备方法是通过如下步骤来实现一、高能球磨机械活化Ni-Al-Ti-B粉末按化学计量比为Ni∶Al＝2.704～3∶1，Ti∶B＝1.04～1.45∶1，TiB占复合材料总体积的3～20％的比例称取Ni-Al-Ti-B元素粉末与钢球一同放入球磨罐中，抽真空后充入氩气气氛，控制球料比为5～20∶1，振动频率为100～300次/分钟，球磨30～50小时，得到复合粉末；二、放电等离子烧结先将机械活化后的复合粉末装入石磨模具中，随后将模具放入放电等离子烧结炉中，通过上、下压头对复合材料施加压力，控制压力为10～85MPa，然后抽真空至5～15Pa，以80～120℃/min的升温速度加热至800～1100℃，保温5～15min，同时施以65～95MPa的压力，然后以40～100℃/min冷却至室温，得到TiB/Ni3Al复合材料。本专利技术是一种采用放电等离子体烧结原位自生TiB/Ni3Al复合材料的理论设计与制备工艺。经过热力学计算，在Ni-Al-Ti-B体系中会发生如下反应(1)(2)Ti+TiB2→TiB (3)以上反应的生成焓均为负值，说明在热力学上这三个反应均能发生。其中，Ti和B首先形成TiB2，当Ti过量时会发生第三个反应。由于TiB特殊的晶体结构(B27)，使得B易于沿着特定方向扩散，使得在这一方向上的生长速度要大于其他方向，因此生成的TiB会以晶须的形貌存在与基体Ni3Al中。另外在球磨过程中，由于高频率的球—料—球的碰撞，使得原始粉料反复变形，在此过程中，四种元素粉末彼此分布均匀，同时引入大量的缺陷如孔洞、位错等。在放电等离子烧结过程中，交变的电源在粉末之间产生等离子放电过程，此过程使得颗粒表面活化，加快了物质之间的扩散，使得颗粒塑性变形提高，缩短烧结时间。保温完后，由于此工艺的冷却速度非常大，获得均匀细小的晶粒组织。Ni3Al是以纳米晶粒的形式存在的，这使得材料变形均匀，减少变形过程中的应力集中。另外晶须状的TiB相的存在能够有效的阻碍和偏转裂纹，也能够提高材料的塑性。根据上述反应，采用高能球磨机械活化Ni-Al-Ti-B体系制得复合粉末。然后采用适当的工艺参数，应用放电等离子体烧结工艺原位生成体积分数为3～20％的TiB/Ni3Al复合材料。由于放电等离子烧结工艺特殊的烧结机理和大的冷却速度，因此Ni3Al基体晶粒尺寸为纳米级，测试结果为40±10nm。TiB的特殊晶体结构(B27)使得生成的TiB以晶须状生长。对于所制备的增强体体积分数为10％的复合材料，复合材料致密度非常高，达到理论值的99.8％，材料的硬度值为1170Hv。本专利技术适用于放电等离子烧结TiB晶须增强纳米晶Ni3Al复合材料。放电等离子体烧结工艺所制备的材料具有晶粒细小、组织均匀、致密度高等优点。另外由于采用原位自生反应法制备材料，所得材料中增强体与基体具有很好的热力学稳定性，在高温环境中服役时不易破坏；增强体和基体有着直接原子结合的界面结构，界面平直，结合牢固，无反应物或析出相的存在；界面非常洁净，从而解决了常规的外加颗粒增强所产生的污染问题和熔铸过程中存在的增强体与基体间的润湿性问题；增强体尺寸更加细小，分布均匀，具有优良的机械性能等。具体实施例方式具体实施方式一本实施方式的原位自生增强Ni3Al复合材料由Ni、B、Ti、Al四种成分组成，其中各成分的化学计量比为Ni∶Al＝2.704～3∶1；Ti∶B＝1.04～1.45∶1，TiB占复合材料总体积的3～20％。本实施方式中所述镍粉(Ni)颗粒尺寸范围为10μm，铝粉(Al)平均颗粒尺寸3μm左右，钛粉(Ti)颗粒尺寸为10μm，硼粉(B)颗粒尺寸为3μm。具体实施例方式二本实施方式与具体实施方式一不同的是，各成分的化学计量比为Ni∶Al＝3∶1，B∶Ti＝1∶1.2，TiB占复合材料总体积的5％。具体实施例方式三本实施方式与具体实施方式一不同的是，各成分的化学计量比为Ni∶Al＝3∶1，B∶Ti＝1∶1.446，TiB占复合材料总体积的10％。具体实施例方式四本实施方式与具体实施方式一不同的是，各成分的化学计量比为Ni∶Al＝3∶1，B∶Ti＝1∶1.25，TiB占复合材料总体积的15％。具体实施例方式五本实施方式与具体实施方式一不同的是，各成分的化学计量比为Ni∶Al＝2.8∶1，B∶Ti＝1∶1.05，TiB占复合材料总体积的18％。具体实施例方式六本实施方式与具体实施方式一不同的是，各成分的化学计量比为Ni∶Al＝2.9∶1，B∶Ti＝1∶1.35，TiB占复合材料总体积的8％。具体实施例方式七本实施方式通过如下步骤来制备TiB/Ni3Al复合材料一、高能球磨机械活化Ni-Al-Ti-B粉末为制备3～20vol本文档来自技高网...

【技术保护点】
原位自生增强Ｎｉ↓［３］Ａｌ复合材料，其特征在于所述Ｎｉ↓［３］Ａｌ复合材料由Ｎｉ、Ｂ、Ｔｉ、Ａｌ四种成分组成，其中各成分的化学计量比为Ｎｉ∶Ａｌ＝２．７０４～３∶１；Ｔｉ∶Ｂ＝１．０４～１．４５∶１，ＴｉＢ占复合材料总体积的３～２０％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：耿林，曹国剑，奈贺正明，郑镇洙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]