一种原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法技术

一种原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法，涉及一种铝基复合材料制备方法。为了解决现有制备工艺难以同时保证Ti3AlC2增强铝基复合材料强度和塑性的问题。本发明专利技术以Ti3AlC2颗粒和铝金属为原料，首先通过球磨制备出Ti3AlC2和铝金属的混合粉体，然后通过放电等离子烧结的方法使Ti3AlC2颗粒与铝复合，最终制成Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料；采用放电等离子烧结的方法反应时间短，仅为5min～20min，且不需要将Al基体加热到液相，因此TiAl3相的含量可控；并且复合材料的制备效率高，可靠性好，综合力学性能优异。在界面处有效生成不同尺寸和含量的TiAl3晶须，制备出的复合材料具有界面结合好、力学性能尤其是塑性良好、机械加工容易等性能特点。机械加工容易等性能特点。机械加工容易等性能特点。

【技术实现步骤摘要】
一种原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法


[0001]本专利技术涉及一种铝基复合材料制备方法。

技术介绍

[0002]MAX相是一类三元纳米层状化合物，微观层状结构赋予其高损伤容限、导电性、优异的机械加工性，以及高模量和高硬度，近些年来收获了广泛研究。为了实现MAX相增强铝基复合材料的高强度和高韧性，需要MAX相和铝基体具有良好的界面结合。然而研究表明，MAX相与Al的反应难以控制。传统固相法虽然可以抑制MAX相和Al的反应，但低温不利于界面结合，这会导致复合材料的性能下降。液相法制备虽然有益于界面反应结合，但熔融Al液会与MAX相反应生成大量脆性相，造成复合材料塑性的严重下降。因此，为了获得具有高强度和高塑性的MAX相增强铝基复合材料，一方面需要促进MAX 相与Al的界面结合，另一方面需抑制脆性相的大量生成。
[0003]作为一种典型的MAX相陶瓷，Ti3AlC2具有优异的耐摩擦磨损性能和抗高温氧化性能，可以作为铝基体的一种理想增强体。目前采用Ti3AlC2增强铝基复合材料的文献报道还比较少。Wang等人采用热等静压技术，制备了体积分数40％的Ti3AlC2增强纯铝复合材料。当烧结温度超过700℃后，复合材料体系会反应生成大量TiAl3、Al4C3以及TiC，复合材料的致密度仅为96～98％。Wang等人采用热压烧结技术，在780℃制备了体积分数20％
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30％的Ti3AlC2‑
TiAl3增强纯铝复合材料。TiAl3的原位生成使复合材料的室温抗压强度高达404MPa，但压缩应变仅为12％。在目前文献报导中，为了提高Ti3AlC2与铝基体的界面结合，通常选择高于铝熔点的制备温度以原位生成TiAl3相。但高温又造成了 TiAl3的大量生成，从而导致复合材料的塑性急剧下降。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有制备工艺难以同时保证Ti3AlC2增强铝基复合材料强度和塑性的问题，提供了一种原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法。
[0005]本专利技术原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法按以下步骤进行：
[0006]一、称料
[0007]按体积分数称取10％～40％Ti3AlC2粉体和90％～60％铝金属粉体；
[0008]二、Ti3AlC2粉体和铝金属粉体的分级球磨
[0009]将步骤一称取的Ti3AlC2粉体和铝金属粉体装入球磨罐中进行球磨；首先采用低转速球磨，球料比为(1～2):1，转速为150rpm～200rpm，球磨时间为1.5h～3h，使两种粉体充分混合；然后采用高转速球磨，球料比为(3～5):1，转速为250rpm～400rpm，球磨时间为1.5h～3h，使Ti3AlC2大颗粒或团簇在球磨作用下充分打开；通过分级球磨使Ti3AlC2粉体与
铝金属粉体实现均匀混合和充分接触，得到Ti3AlC2和铝金属的复合粉体；
[0010]三、制备预制体
[0011]将步骤二得到的Ti3AlC2和铝金属的复合粉体装入模具中进行冷压，冷压过程中，加压速度为0.1mm/min～3mm/min，加压至4MPa～20MPa并保压5min～10min，得到Ti3AlC2和铝金属的复合预制体；
[0012]四、放电等离子烧结
[0013]将步骤三得到的Ti3AlC2和铝金属的复合预制体连同模具移至放电等离子烧结炉的烧结室中，用上下卡具将模具装配好，在保护气氛或真空条件下的SPS烧结设备中：
[0014]首先，在压力为20MPa～300MPa下将预制体预热到300℃～400℃，随后压力为 20MPa～300MPa下并在1min～10min内将样品加热至450℃～640℃；
[0015]然后，在温度为450℃～640℃和压力为20MPa～300MPa的条件下保持5min～20min；使预制体充分致密化；
[0016]最后，以20℃/min～40℃/min的速度进行冷却，冷却后脱模，得到烧结态块体，即原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料。
[0017]本专利技术具备以下有益效果：
[0018]1、本专利技术以Ti3AlC2颗粒和铝金属为原料，首先通过球磨制备出Ti3AlC2和铝金属的混合粉体，然后通过放电等离子烧结的方法使Ti3AlC2颗粒与铝复合，最终制成Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料；采用放电等离子烧结的方法反应时间短，仅为5min～20min，且不需要将Al基体加热到液相，因此TiAl3相的含量可控；并且复合材料的制备效率高，可靠性好，综合力学性能优异。
[0019]2、本专利技术提供了一种原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法，通过控制放电等离子烧结的升温速率、温度和保温时间，不但可以实现Ti3AlC2增强铝基复合材料在短时间内的充分致密化，更能有效控制界面反应程度，高温使Ti3AlC2和Al 基体的元素发生互扩散。Ti3AlC2晶体中的Ti元素脱位，扩散至Al基体中。因基体的Al 浓度很高，故与Al反应生成TiAl3。随着Ti元素的扩散，TiAl3逐渐向Al基体中生长，在界面处有效生成不同尺寸和含量的TiAl3晶须，制备出的复合材料具有界面结合好、力学性能尤其是塑性良好、机械加工容易等性能特点。
[0020]3、本专利技术制备的原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料中Ti3AlC2颗粒的含量为10％～40％，TiAl3的晶须直径为40nm～1000nm；复合材料密度为 2.84g/cm3～3.32g/cm3，致密度大于98％，弹性模量在80GPa～150GPa，弯曲强度在 400MPa～800MPa，屈服强度在60MPa～300MPa，拉伸强度在120MPa～400MPa，延伸率在 1％～20％。
[0021]4、本专利技术提供了一种快速高效制备出Ti3AlC2增强铝基复合材料的方式，制备方法简单、安全易操作、工艺容易控制，复合材料的密度低、致密度高、Ti3AlC2颗粒分布均匀，有利于实现产业化生产及应用。
附图说明
[0022]图1为实施例一得到的原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料的微观组织照片；
[0023]图2为实施例一得到的原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料的界
面 TiAl3晶须的透射照片。
具体实施方式
[0024]本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
[0025]具体实施方式一：本实施方式原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法按以下步骤进行：
[0026]一、称料
[0027]按体积分数称取10％～40％Ti3AlC2粉体和90％～60％铝金属粉体；
[0028]二、Ti3AlC2粉体和铝金属粉体的分级球磨...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法按以下步骤进行：一、称料按体积分数称取10％～40％Ti3AlC2粉体和90％～60％铝金属粉体；二、Ti3AlC2粉体和铝金属粉体的分级球磨将步骤一称取的Ti3AlC2粉体和铝金属粉体装入球磨罐中进行球磨；首先采用低转速球磨，球料比为(1～2):1，转速为150rpm～200rpm，球磨时间为1.5h～3h，使两种粉体充分混合；然后采用高转速球磨，球料比为(3～5):1，转速为250rpm～400rpm，球磨时间为1.5h～3h，使Ti3AlC2大颗粒或团簇在球磨作用下充分打开；通过分级球磨使Ti3AlC2粉体与铝金属粉体实现均匀混合和充分接触，得到Ti3AlC2和铝金属的复合粉体；三、制备预制体将步骤二得到的Ti3AlC2和铝金属的复合粉体装入模具中进行冷压，冷压过程中，加压速度为0.1mm/min～3mm/min，加压至4MPa～20MPa并保压5min～10min，得到Ti3AlC2和铝金属的复合预制体；四、放电等离子烧结将步骤三得到的Ti3AlC2和铝金属的复合预制体连同模具移至放电等离子烧结炉的烧结室中，用上下卡具将模具装配好，在保护气氛或真空条件下的SPS烧结设备中：首先，在压力为20MPa～300MPa下将预制体预热到300℃～400℃，随后压力为20MPa～300MPa下并在1min～10min内将样品加热至450℃～640℃；然后，在温度为450℃～640℃和压力为20MPa～300MPa的条件下保持5min～20min；使预制体充分致密化；最后，以20℃/min～40℃/min的速度进行冷却，冷却后脱模，得到烧结态块体，即原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料。2.根据权利要求1所述的原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤一中所述Ti3AlC2的纯度大于95％；所述Ti3AlC2粉体的平均粒径为0.2μm～40μm。3.根据权利要求1所述的原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤一中所述铝金属粉体的平均直径为1μm～30μm。4.根据权利要求1所述的原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：步骤一中所述铝金属粉体为纯铝或铝合金粉体。5.根据权利要求4所述的原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：所述铝合金粉体为Al
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Si合金、Al
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Cu合金、Al
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Mg合金、Al
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Si
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Cu合金、Al
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Si
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Mg合金、Al
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Cu
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Mg合金、Al
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Zn

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，王智君，马一夫，孙凯，卫国梁，修子扬，陈国钦，杨文澍，姜龙涛，武高辉，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：