一种TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料及其热压制备方法技术

一种TiCx‑Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料及其热压制备方法。该材料中Ti3AlC2体积含量为5～50vol％，其余为Ni基合金。该材料的显微结构为原位生成的亚微米TiCx及Ni3(Al,Ti)颗粒，均匀分布于Ni基体中，且增强相与金属基体相润湿性良好，界面结合牢固。该材料的制备方法：Ti3AlC2与Ni基合金粉通过不同的体积配比进行配料、混料。将装有原料的热压模具放入真空热压炉中，氩气保护，以10℃/min的升温速率升温至1200℃，并保温30min使其充分反应；以10～20℃/min降温至1020℃，保温20min，同时加压至25～30MPa使其致密化；最后随炉冷却至500℃卸压，降温至80℃取出样品，即得到TiCx‑Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料。该材料具有高强度、高硬度、高耐磨、耐高温等显著特点，可广泛用于航天、军工、交通运输、机械制造等领域的关键器件。

A TiCx-Ni3 (Al, Ti) /Ni matrix composite and its hot pressing method

A TiCx Ni3 (Al, Ti) /Ni matrix composite and its hot pressing method. The volume content of Ti3AlC2 in the material is 5 to 50vol%, and the rest is Ni based alloy. The microstructure of the material is in situ submicron TiCx and Ni3 (Al, Ti) particles, evenly distributed in the Ni matrix, and the wettability of the reinforced phase with the metal matrix is good, and the interface bonding is strong. The preparation method of the material is that Ti3AlC2 and Ni based alloy powder mix and mix by different volume ratio. Hot pressing die with raw materials was put into a vacuum hot pressing furnace. Argon was protected at a heating rate of 10 /min to 1200, and 30min was heated to make it fully reacted; the temperature was cooled to 1020, 20min at 10~20 C and 25 to 30MPa at the same time. At the same time, the temperature was cooled to 500 centigrade, and the temperature was reduced to 80 C. The sample TiCx, Ni3 (Al, Ti) /Ni matrix composite was obtained. The material is characterized by high strength, high hardness, high wear resistance, high temperature resistance and so on. It can be widely used in space, military, transportation, mechanical manufacturing and other key devices.

【技术实现步骤摘要】
一种TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料及其热压制备方法
本专利技术涉及一种TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料及其热压制备方法。
技术介绍
镍及其合金材料由于具有良好的化学稳定性、抗氧化、耐腐蚀等特性，而被广泛应用于航空航天、能源动力、交通运输、石油化工以及核能等工程应用领域。近年来，为了进一步提高Ni基材料的室温及高温力学性能以及改善其摩擦学特性，很多研究人员利用陶瓷颗粒(TiC、WC、SiC、TiB2)增强Ni基复合材料。众所周知，复合材料中增强相的体积分数、尺寸、在基体中的分布、自身的物理化学特性以及与基体材料的润湿性对复合材料的性能起着至关重要的作用。Ni基复合材料中陶瓷颗粒的引入主要有外部添加以及原位自生两种方式。对于第一种方式，由于外加的传统陶瓷颗粒在Ni基体中尺寸较大且与Ni基体的润湿性较差，阻碍基体位错运动的能力有限，同时陶瓷颗粒与Ni基体之间存在热失配，在界面处产生应力集中，因而在载荷作用下界面处容易脱离，造成材料失效。而原位自生(例如：TiC)陶瓷颗粒增强Ni基复合材料虽然增强颗粒尺寸较小且在基体中分布比较均匀，然而在基体中容易形成金属间化合物(例如在Ni-Ti-C系统中容易形成Ni3Ti和Ni2.6Ti1,3)，这种硬而脆的金属间化合物不仅对材料性能提升作用很小，而且在疲劳载荷的作用下，其在基体中作为裂纹源首先开裂，造成材料失效(参考文献：S.Ctjong，Mater.Sci.Eng.R,29(2000)49-113)。另一方面，镍基高温合金是目前航空发动机中应用最广的高温合金材料，其中共格的γˊ相(Ni3Al或者Ni3(Al,Ti))的第二相沉淀强化对镍基高温合金(例如：GH145)的性能起着举足轻重的作用。因此，在Ni基复合材料中如果能同时生成与Ni润湿性良好、颗粒细小且分布均匀的陶瓷相以及共格γˊ相，这不仅能够使得复合材料在室温下具有高强度、高硬度、高耐磨性等特性，而且，在高温环境下依然能够表现出优异的力学性能。Ti3AlC2作为Mn+1AXn相新型陶瓷材料中的一员，具有与石墨相似的层状结构，属于六方晶系(a＝0.3075nm,c＝1.8578nm)，Ti-C链组成的两个共棱的Ti6C八面体被Al原子层分割，Ti-C之间以强的共价键和离子键结合，而Al-Ti之间以弱的共价键和金属键结合。因而,Ti3AlC2兼具陶瓷高强度、高模量和金属优良的导电导热及机械加工特性。W.Barsoum在2000年首次报道了Ti3AlC2的拓扑转变的特性，即通过Al元素的解离，六方的Ti3AlC2转变为非化学计量比的TiC(也称之为TiCx)，而这种TiCx颗粒不仅具有TiC高硬度和高模量等特性，而且与金属材料有着更加良好的润湿性(参考文献：M.W.Barsoum，Prog.SolidStateChem.28(2000)201–281)。这表明Ti3AlC2可以作为一种有效的先驱体，利用其原位转化来形成超细颗粒的TiCx增强体。因此若在Ni基体中加入Ti3AlC2材料，高温下Al-Ti原子从Ti3AlC2中脱离并与Ni发生反应,促使亚微米Ni3(Al,Ti)颗粒在Ni基体中沉淀析出，这将原位生成亚微米TiCx和Ni3(Al,Ti)，实现双相协同强化Ni基复合材料的效果。但是，目前为止还没有利用原位反应法双相增强Ni基复合材料的报道。与传统的陶瓷颗粒增强金属基复合材料相比，TiCx和Ni3(Al,Ti)双相强化Ni基合金复合材料具有更为优异的室温及高温力学性能、减振性能和热学性能，同时Ni基合金中由于Ti3AlC2的加入，能显著降低复合材料的密度，因此可以减小实际应用过程中的零部件重量，降低成本，节约能源消耗，提高使用可靠性。在航空航天、交通运输、机械制造等工业领域展示了广泛的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种以Ti3AlC2(体积分数为5～50％)和Ni基合金粉为原料制成的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料及其热压制备方法。本专利技术的技术方案：本专利技术的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，其特征在于：(1)以Ti3AlC2粉和镍基合金粉为初始原料，Ti3AlC2粉的体积含量为5-50vol％，其余为Ni基合金粉。(2)其反应机理如下：高温下熔融的Ni基合金诱导Ti3AlC2发生分解，Al原子与部分Ti原子从六方的Ti3AlC2层间结构中解离出来，留下了非化学计量比的亚微米TiC颗粒(称之为：TiCx)，Al原子与Ti原子进一步与Ni发生反应生成第二相Ni3(Al,Ti)。(3)其显微结构如下：亚微米的陶瓷硬质颗粒TiCx与第二相Ni3(Al,Ti)颗粒均匀分布于Ni基合金基体中，且增强相与金属基体相润湿性良好，界面结合牢固。本专利技术的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料的热压制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1，配料：将实验室自制的Ti3AlC2粉与Ni基合金粉按以下体积比配料：Ti3AlC2:5～50vol.％；Ni基合金粉：95～50vol.％；步骤2，混料：将步骤1中的配料采用球料比为5:1；将配制之后的原料粉体及玛瑙球倒入聚四氟乙烯的球磨罐中，然后将球磨罐置于滚筒球磨机上进行混料，混料时间为5～10h，之后取出原料粉；步骤3,预压成型：将一定质量的混合粉料装入涂有氮化硼的热压石墨模具内，并施加8MPa的压强，使模具中的粉料压实成型；步骤4，热压烧结：将预压后的热压模具放入真空热压炉中，在真空条件下，以3～6℃/min的升温速率升温至180～200℃。在180～200℃保温5～10min,充入氩气使气压达到0.5～0.7bar。然后以10～30℃/min的升温速率升温至1100～1400℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的样品施加20～30MPa的压强，保持温度和压强20～30min以使其致密化；最后随炉冷却至500℃卸压，降温至80℃之后取出样品，即得到TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料。本专利技术所具有的有益效果：本专利技术的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，其室温弯曲强度最高可以达到884MPa，而且在一定温度范围内其弯曲强度随着温度的升高而增加。在700℃时，弯曲强度最高可以达到1020MPa。而在800℃时，其压缩强度可达700MPa，最大伸长率可达13.7％，远高于一般的陶瓷增强Ni基复合材料。其维氏硬度和断裂韧性依初始Ti3AlC2含量的不同而不同。本专利技术的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，其硬度最高可达10.8GPa，断裂韧性可达13.84MPa·m1/2；对于本专利技术的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料的应用，应选取适当体积分数的Ti3AlC2和Ni进行热压烧结。专利技术的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料及其热压制备方法，其主要的优势在于工艺简单，操作方便，适合制造需要高强度、高耐磨、耐高温的零件。本专利技术的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料可广泛用于航空航天、军工、机械制造及核能等领域，例如用于制造高速铁路的制动盘、机械行业中的耐磨轴承、涡轮叶片及切削刀具等。附图说明图1是本专利技术的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TiCx‑Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，其特征在于：(1)以Ti3AlC2粉和镍基合金粉为初始原料，Ti3AlC2粉的体积含量为5‑50vol％，其余为Ni基合金粉。(2)其反应机理如下：高温下熔融的Ni基合金诱导Ti3AlC2发生分解，Al原子与部分Ti原子从六方的Ti3AlC2层间结构中解离出来，留下了非化学计量比的亚微米TiC颗粒(称之为：TiCx)，Al原子与Ti原子进一步与Ni发生反应生成第二相Ni3(Al,Ti)。(3)其显微结构如下：亚微米的陶瓷硬质颗粒TiCx与第二相Ni3(Al,Ti)颗粒均匀分布于Ni基合金基体中，且增强相与金属基体相润湿性良好，界面结合牢固。

【技术特征摘要】
1.一种TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，其特征在于：(1)以Ti3AlC2粉和镍基合金粉为初始原料，Ti3AlC2粉的体积含量为5-50vol％，其余为Ni基合金粉。(2)其反应机理如下：高温下熔融的Ni基合金诱导Ti3AlC2发生分解，Al原子与部分Ti原子从六方的Ti3AlC2层间结构中解离出来，留下了非化学计量比的亚微米TiC颗粒(称之为：TiCx)，Al原子与Ti原子进一步与Ni发生反应生成第二相Ni3(Al,Ti)。(3)其显微结构如下：亚微米的陶瓷硬质颗粒TiCx与第二相Ni3(Al,Ti)颗粒均匀分布于Ni基合金基体中，且增强相与金属基体相润湿性良好，界面结合牢固。2.一种如权利要求1所述的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料的热压制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1，配料：将实验室自制的Ti3AlC2粉与Ni基合金粉按以下体积比配料：Ti3AlC2:5～50v...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄振莺，胡文强，翟洪祥，柯燎亮，雷聪，蔡乐平，周洋，于文波，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11