CN100488669C - 一种TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料及其制备方法，首先按质量百分比将37-84%的Ti粉末和16-63%的Al粉末制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.2-0.5%的硬脂酸钠分散剂，采用干法球磨，使其机械合金化形成非晶细小粉体，并在钛金属表面吸附了大量氮气，将合金化后的非晶粉体在70-80℃下干燥4-5小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以950-1200℃，10-35MPa的压力热压烧结1.5-2.5小时即可。本发明利用Ti粉、Al粉以及少量添加剂经高能球磨非晶化后，原位反应生成超细化甚至纳米化Ti2AlN增强相来提高基体相TiAl的机械强度及韧性，从而改善了该材料的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种TiAl金属间化合物复合材料的制备方法，具体涉及一种TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料的制备方法。
背景技术
金属间化合物尤其是TiAl金属间化合物，具有优异的高温比性能(强度、韧性、环境抗力等)，已成为高温结构材料的开发热点之一。但是，由于其室温脆性、难于变形加工和850℃以上抗氧化性不足严重的阻碍了该合金的实际应用。陶瓷颗粒增强TiAl基复合材料是克服以上缺陷的有效途径，但如果陶瓷颗粒的粒径比较粗时，引入高量的陶瓷相强化TiAl基体的同时又牺牲了材料的有限韧性和塑性，总而言之，此类材料绝大多数的研究集中于金属间化合强化方面，强化+韧化方面的研究相对较少。陶瓷增强相超细化以及纳米化是该复合材料强韧化最有效的途径之一。Ti2AlN常被用作表面物质来保护钛铝金属间化合物，其热膨胀系数与TiAl基体也接近，对提高该材料性能尤其是抗氧化性能起到了一定的作用，但无法从根本上解决钛铝金属间化合物的脆性问题。考虑到金属间化合物基体相与陶瓷颗粒增强相之间的应力相容性，利用原位反应合成陶瓷颗粒强化金属间化合物复合材料，能够制备陶瓷相与金属相成分在很大范围内可调的热力学相容性好的全新材料。但遗憾之处是这种方法也很难使原位生成的陶瓷相颗粒均匀的分布在金属相晶界上，而且部分气孔难以消除，给材料性能的进一步提高形成了很大的障碍。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种制备工艺简单，高能球磨过程无需气氛保护的TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料的制备方法，按本发明的制备方法制得的TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料的晶粒达到超细化甚至纳米化，沿金属间化合物晶界分布均匀、致密。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：首先按质量百分比将37-84％的Ti粉末和16-63％的Al粉末制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.2—0.5％的硬脂酸钠分散剂，采用干法球磨，使其机械合金化形成非晶细小粉体；将合金化后的非晶粉体在70-80℃下干燥4-5小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以950-1200℃，10-35MPa的压力热压烧结1.5—2.5小时即可。
本发明的干法球磨采用行星式球磨机，其转速为700-800转每分钟，料球质量比为1：10，球磨时间为24-27小时。
按照本发明的制备方法制成的TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料，其特征在于：由基体相和增强相两部分组成，基体相由TiAl相和Ti3Al相组成，增强相为Ti2AlN。
本发明利用Ti粉、Al粉以及少量添加剂经高能球磨非晶化后，原位反应生成超细化甚至纳米化Ti2AlN增强相来提高基体相TiAl的机械强度及韧性，从而改善了该材料的综合力学性能。由于该材料成分可调性大，烧成温度低，结构均匀致密，成本较低。拓宽了该复合材料的应用范围。
附图说明
图1为合金化得到的粉体经1200℃烧结试样的XRD分析图，其中横坐标为衍射峰强度，纵坐标为温度；
图2为1200℃烧结试样的断面形貌图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1，首先按质量百分比将37％的Ti，63％的Al制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.5％的硬脂酸钠分散剂，采用干法球磨在行星式球磨机中以800转每分钟的转速，料球质量比为1：10，球磨时间为27小时，使其机械合金化形成非晶细小粉体；将合金化非晶粉体在70℃下干燥4小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以1200℃，28MPa的压力热压烧结1.5小时即可。得到的复合材料由基体相和增强相两部分组成，基体相由TiAl相和Ti3Al相组成，增强相为Ti2AlN。参见图1，图1为合金化得到的粉体经1200℃烧结试样的XRD分析结果，主晶相为TiAl和Ti2AlN相及少量的Ti3Al。参见图2，图2为1200℃烧结试样的断面形貌图，由图可以看出，该材料晶粒细小，结构致密，无气孔。
实施例2，首先按质量百分比将84％的Ti，16％的Al制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.3％的硬脂酸钠分散剂，采用干法球磨在行星式球磨机中以780转每分钟的转速，料球质量比为1：10，球磨时间为25小时，使其机械合金化形成非晶细小粉体；将合金化非晶粉体在76℃下干燥5小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以1000℃，35MPa的压力热压烧结2.0小时即可。
实施例3，首先按质量百分比将50％的Ti，50％的Al制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.2％的硬脂酸钠分散剂，采用干法球磨在行星式球磨机中以720转每分钟的转速，料球质量比为1：10，球磨时间为26小时，使其机械合金化形成非晶细小粉体；将合金化非晶粉体在72℃下干燥4.3小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以950℃，17MPa的压力热压烧结2.5小时即可。
实施例4，首先按质量百分比将40％的Ti，60％的Al制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.4％的硬脂酸钠分散剂，采用干法球磨在行星式球磨机中以750转每分钟的转速，料球质量比为1：10，球磨时间为24小时，使其机械合金化形成非晶细小粉体；将合金化非晶粉体在80℃下干燥4.7小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以1100℃，10MPa的压力热压烧结2.3小时即可。
实施例5，首先按质量百分比将60％的Ti，40％的Al制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.5％的硬脂酸钠分散剂，采用干法球磨在行星式球磨机中以700转每分钟的转速，料球质量比为1：10，球磨时间为27小时，使其机械合金化形成非晶细小粉体；将合金化非晶粉体在78℃下干燥4.5小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以1050℃，20MPa的压力热压烧结2.1小时即可。
实施例6，首先按质量百分比将70％的Ti，30％的Al制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.2％的硬脂酸钠分散剂，采用干法球磨在行星式球磨机中以760转每分钟的转速，料球质量比为1：10，球磨时间为25小时，使其机械合金化形成非晶细小粉体；将合金化非晶粉体在75℃下干燥4.1小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以1150℃，30MPa的压力热压烧结1.8小时即可。
Claims (9)
1、一种TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料的制备方法，其特征在于：
1)首先按质量百分比将37-84％的Ti粉末和16-63％的Al粉末制成混合物；
2)在混合物中加入混合物质量0.2—0.5％的硬脂酸钠分散剂，采用无气氛保护干法球磨，使其机械合金化形成非晶细小粉体；
3)将合金化后的非晶粉体在70-80℃下干燥4-5小时；
4)将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以950-1200℃，10-35MPa的压力热压烧结1.5—2.5小时即可。
2、根据权利要求1所述的TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料的制备方法，其特征在于：所说的干法球磨采用无气氛保护行星式球磨机，其转速为700-800转每分钟，料球质量比为1：10，球磨时间为24-27小时。
3、根据权利要求1所述的TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料的制备方法，其特征在于：首先按质量百分比将37％的Ti，63％的Al制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.5％的硬脂酸钠分散剂，采用无气氛保护干法球磨在行星式球磨机中以800转每分钟的转速，料球质量比为1：10，球磨时间为27小时，使其机械合金化形成非晶细小粉体；将合金化非晶粉体在70℃下干燥4小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以1200℃，28MPa的压力热压烧结1.5小时即可。
4、根据权利要求1所述的TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料的制备方法，其特征在于：首先按质量百分比将84％的Ti，16％的Al制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.3％的硬脂酸钠分散剂，采用干法球磨在行星式球磨机中以780转每分钟的转速，料球质量比为1：10，球磨时间为25小时，使其机械合金化形成非晶细小粉体；将合金化非晶粉体在76℃下干燥5小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以1000℃，35MPa的压力热压烧结2.0小时即可。
5、根据权利要求1所述的TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料的制备方法，其特征在于：首先按质量百分比将50％的Ti，50％的Al制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.2％的硬脂酸钠分散剂，采用干法球磨在行星式球磨机中以720转每分钟的转速，料球质量比为1：10，球磨时间为26小时，使其机械合金化形成非晶细小粉体；将合金化非晶粉体在72℃下干燥4.3小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以950℃，17MPa的压力热压烧结2.5小时即可。
6、根据权利要求1所述的TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料的制备方法，其特征在于：首先按质量百分比将40％的Ti，60％的Al制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.4％的硬脂酸钠分散剂，采用干法球磨在行星式球磨机中以750转每分钟的转速，料球质量比为1：10，球磨时间为24小时，使其机械合金化形成非晶细小粉体；将合金化非晶粉体在80℃下干燥4.7小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以1100℃，10MPa的压力热压烧结2.3小时即可。
7、根据权利要求1所述的TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料的制备方法，其特征在于：首先按质量百分比将60％的Ti，40％的Al制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.5％的硬脂酸钠分散剂，采用干法球磨在行星式球磨机中以700转每分钟的转速，料球质量比为1：10，球磨时间为27小时，使其机械合金化形成非晶细小粉体；将合金化非晶粉体在78℃下干燥4.5小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以1050℃，20MPa的压力热压烧结2.1小时即可。
8、根据权利要求1所述的TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料的制备方法，其特征在于：首先按质量百分比将70％的Ti，30％的Al制成混合物；在混合物中加入混合物质量0.2％的硬脂酸钠分散剂，采用干法球磨在行星式球磨机中以760转每分钟的转速，料球质量比为1：10，球磨时间为25小时，使其机械合金化形成非晶细小粉体；将合金化非晶粉体在75℃下干燥4.1小时；将干燥后的粉体装入石墨磨具中，在氩气或真空条件下以1150℃，30MPa的压力热压烧结1.8小时即可。
9、一种按照权利要求1所述的制备方法制成的TiAl/Ti2AlN金属间化合物复合材料，其特征在于：由基体相和增强相两部分组成，基体相由TiAl相和Ti3Al相组成，增强相为Ti2AlN。
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| 机械合金化制备γ- TiAl+ Ti2AlN纳米复合材料. 王开阳，王金国，陈国良.北京科技大学学报，第17卷第1期. 1995 |
| 机械合金化制备γ- TiAl+ Ti2AlN纳米复合材料. 王开阳，王金国，陈国良.北京科技大学学报，第17卷第1期. 1995 * |
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