CN101011737A - 三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料及其制备方法,本发明涉及一种TiAl基复合材料及其制备方法。它为了解决现有TiAl基复合材料室温塑性差及强度低的问题。三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由45~50at.%的Ti粉、40~49at.%的Al粉和1~15at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及为Ti粉、Al粉和元素粉末总重量0.05~20%的碳纳米管制成,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比。TiAl基复合材料的制备方法通过以下步骤实现:(一)球磨(二)添加炭纳米管后继续混粉(三)等离子烧结,得到三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种TiAl基复合材料及其制备方法。
背景技术
TiAl金属在航天、航空以及汽车制造等领域广泛应用,但是由于TiAl金属室温塑性差和热加工能力差,使该材料在工程中得不到广泛的使用。国内外科学家在TiAl金属化合物的组织、塑性和变形方面做了大量的研究。研究表明,TiAl基复合材料具有高的比弹性模量、高的比强度、高抗蠕变能力和高强度、高刚度的自生增强相,室温塑性和热加工性能也能得到增强;但原有TiAl基复合材料存在室温塑性差及强度低的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有TiAl基复合材料力学性能差、室温塑性差及强度低的问题。三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由45~50at.%的Ti粉、40~49at.%的Al粉和1~15at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量0.05~20%的碳纳米管制成,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比。三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法通过以下步骤实现:(一)按照原子比将45~50at.%的Ti粉、40~49at.%的Al粉和1~15at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种元素粉末混合后放入球磨机中,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比,在向球磨罐中充入纯度为99.99%的氩气、球料重量比为4~50∶1、球磨机转速为100~1000转/分钟的条件下对混合粉末球磨2~100小时,得到复合粉末;(二)在复合粉末中添加占粉末重量0.05~20%的炭纳米管,然后在球磨机中以5~100转/分钟的速度进行低速混粉0.5~20小时,得到分散均匀的含炭纳米管的复合粉末;(三)将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以650℃~1550℃、压力范围为5~100KN及真空度为0~10Pa的条件烧结2分钟~2小时,然后向烧结炉中通入纯度为99.99%的氮气并冷却至室温,得到三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料。本发明制备的三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料组织细小均匀,力学性能好,室温塑性为1.5~4%,屈服强度为350~550Mpa,抗拉强度为550~800Mpa。
附图说明
图1是具体实施方式二十三制备的三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料的1000倍扫描电子显微镜照片,图2是具体实施方式二十四制备的三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料的1000倍扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式中三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由45~50at.%的Ti粉、40~49at.%的Al粉和1~15at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量0.05~20%的碳纳米管制成,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一的不同点在于三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由46~49at.%的Ti粉、42~48at.%的Al粉和3~12at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量5~15%的碳纳米管制成,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一的不同点在于三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由48at.%的Ti粉、46at.%的Al粉和6at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量10%的碳纳米管制成,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一的不同点在于三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由45at.%的Ti粉、40at.%的Al粉和1 5at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量2%的碳纳米管制成,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一的不同点在于三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由50at.%的Ti粉、40at.%的Al粉和1at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量4%的碳纳米管制成,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比。
具体实施方式六:本实施方式中三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法,其特征在该方法通过以下步骤实现:(一)按照原子比将45~50at.%的Ti粉、40~49at.%的Al粉和1~15at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种元素粉末混合后放入球磨机中,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比,在向球磨罐中充入纯度为99.99%的氩气、球料重量比为4~50∶1、球磨机转速为100~1000转/分钟的条件下对混合粉末球磨2~100小时,得到复合粉末;(二)在复合粉末中添加占粉末重量0.05~20%的炭纳米管,然后在球磨机中以5~100转/分钟的速度进行低速混粉0.5~20小时,得到分散均匀的含炭纳米管的复合粉末;(三)将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以650℃~1550℃、压力范围为5~100KN及真空度为0~10Pa的条件烧结2分钟~2小时,然后向烧结炉中通入纯度为99.99%的氮气并冷却至室温,得到三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料。
本实施方式制备的TiAl基复合材料组织细小均匀,力学性能好,室温塑性为1.5~4%、屈服强度为350~550Mpa、抗拉强度为550~800Mpa。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中按照原子比将46~49at.%的Ti粉、42~48at.%的Al粉和3~12at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种混合后放入球磨机中,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中按照原子比将47~48at.%的Ti粉、43~46at.%的Al粉和6~10at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种混合后放入球磨机中,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中按照原子比将48at.%的Ti粉、45at.%的Al粉和7at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种混合后放入球磨机中,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中球料重量比为10~45∶1、球磨机转速为200~800转/分钟。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十一:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中球料重量比为15~40∶1、球磨机转速为300~700转/分钟。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十二:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中球料重量比为35∶1、球磨机转速为650转/分钟。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十三:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中对混合粉末球磨20~80小时。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十四:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中对混合粉末球磨35~60小时。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十五:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中对混合粉末球磨50小时。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十六:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(二)中在复合粉末中添加占粉末重量5~15%的炭纳米管。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十七:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(二)中在复合粉末中添加占粉末重量8~12%的炭纳米管。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十八:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(二)中在复合粉末中添加占粉末重量3%的炭纳米管。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十九:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(二)中在复合粉末中添加占粉末重量1%的炭纳米管。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式二十:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(二)中球磨机中以50转/分钟的速度进行低速混粉10小时。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式二十一:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(三)中将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以800℃~1200℃、压力范围为20~80KN及真空度为2~8Pa的条件烧结20分钟~1小时。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式二十二:本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(三)中将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以1000℃、压力范围为65KN及真空度为6Pa的条件烧结50分钟。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式二十三:本实施方式通过以下步骤实现:(一)按照原子比将50at.%的Ti粉、48at.%的Al粉和2at.%的Cr元素粉末混合后放入球磨机中,在向球磨罐中充入纯度为99.99%的氩气、球料重量比为20∶1、球磨机转速为500转/分钟的条件下对混合粉末球磨50小时,得到复合粉末;(二)在复合粉末中添加占粉末重量2%的炭纳米管,然后在球磨机中以80转/分钟的速度进行低速混粉20小时,得到分散均匀的含炭纳米管的复合粉末;(三)将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以950℃、压力范围为80KN及真空度为5Pa的条件烧结15分钟,然后向烧结炉中通入纯度为99.99%的氮气并冷却至室温,得到三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料。
本实施方式制备的三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料力学性能好,室温塑性为1.5~4%、屈服强度为350~550Mpa、抗拉强度为550~800Mpa,本实施方式制备TiAl基复合材料有电子显微镜观察,1000倍扫描结果如图1所示:图1中TiAl基复合材料的材料致密,组织细小匀均。
具体实施方式二十四:本实施方式通过以下步骤实现:(一)按照原子比将50at.%的Ti粉、49at.%的Al粉和1at.%的Ta元素粉末混合后放入球磨机中,在向球磨罐中充入纯度为99.99%的氩气、球料重量比为15∶1、球磨机转速为800转/分钟的条件下对混合粉末球磨40小时,得到复合粉末;(二)在复合粉末中添加占粉末重量1.5%的炭纳米管,然后在球磨机中以80转/分钟的速度进行低速混粉15小时,得到分散均匀的含炭纳米管的复合粉末;(三)将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以900℃、压力范围为100KN及真空度为6Pa的条件烧结10分钟,然后向烧结炉中通入纯度为99.99%的氮气并冷却至室温,得到三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料。
本实施方式制备的三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料力学性能好,室温塑性为1.5~4%、屈服强度为350~550Mpa、抗拉强度为550~800Mpa,本实施方式制备TiAl基复合材料有电子显微镜观察,1000倍扫描结果如图2所示:图2中TiAl基复合材料的材料致密,组织细小匀均。
Claims (10)
1、三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料,其特征在于三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由45~50at.%的Ti粉、40~49at.%的Al粉和1~15at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量0.05~20%的碳纳米管制成,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比。
2、根据权利要求1所述的三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料,其特征在于三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由46~49at.%的Ti粉、42~48at.%的Al粉和3~12at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量5~15%的碳纳米管制成。
3、根据权利要求1所述的三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料,其特征在于三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由48at.%的Ti粉、46at.%的Al粉和6at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量10%的碳纳米管制成。
4、TiAl基复合材料的制备方法,其特征在于三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法通过以下步骤实现:(一)按照原子比将45~50at.%的Ti粉、40~49at.%的Al粉和1~15at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种元素粉末混合后放入球磨机中,其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时,元素粉末之间为任意原子比,在向球磨罐中充入纯度为99.99%的氩气、球料重量比为4~50∶1、球磨机转速为100~1000转/分钟的条件下对混合粉末球磨2~100小时,得到复合粉末;(二)在复合粉末中添加为粉末重量0.05~20%的炭纳米管,然后在球磨机中以5~100转/分钟的速度进行低速混粉0.5~20小时,得到分散均匀的含炭纳米管的复合粉末;(三)将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以650℃~1550℃、压力范围为5~100KN及真空度为0~10Pa的条件烧结2分钟~2小时,然后向烧结炉中通入纯度为99.99%的氮气并冷却至室温,得到三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料。
5、根据权利要求4所述的三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法,其特征在于步骤(一)中按照原子比将46~49at.%的Ti粉、42~48at.%的Al粉和3~12at.%的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种混合后放入球磨机中。
6、根据权利要求4所述的三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法,其特征在于步骤(一)球料重量比为10~45∶1、球磨机转速为200~800转/分钟。
7、根据权利要求4所述的三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法,其特征在于步骤(一)中对混合粉末球磨20~80小时。
8、根据权利要求4所述的TiAl基复合材料的制备方法,其特征在于步骤(二)中在复合粉末中添加占粉末重量5~15%的炭纳米管。
9、根据权利要求4所述的三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法,其特征在于步骤(三)中将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以800℃~1200℃、压力范围为20~80KN及真空度为2~8Pa的条件烧结20分钟~1小时。
10、根据权利要求4所述的三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法,其特征在于步骤(三)中将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以1000℃、压力范围为65KN及真空度为6Pa的条件烧结50分钟。
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