CN101418396B - 一种双相协同强化TiAl复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种双相协同强化TiAl复合材料的制备方法，首先，将Ti粉、Al粉和CuO粉的混合料装入刚玉球磨罐中，再将刚玉球磨罐在行星式球磨机上球磨后的粉料干燥；最后将干燥后的粉体，过筛后，装入石墨模型内进行热压烧结即可。本发明采用Ti、Al、CuO粉末，由于CuO与Al2O3的标准生成自由焓差别非常大，Al与CuO有明显的反应趋势等特点，通过真空热压烧结工艺在较低温度下原位反应合成了Al2O3相与Al6.1Cu1.2Ti2.7合金相，两相协同增强的TiAl复合材料，不仅提升材料的力学性能，而且由于引入具有良好电热性的Cu元素，同时也为TiAl复合材料在电热方向发展打下基础。
Description
技术领域
本发明属于材料科学领域，特别涉及一种双相协同强化TiAl复合材料的制备方法。
背景技术
TiAl金属间化合物具有低密度、高比强度、高弹性模量、良好的抗蠕变以及抗氧化能力等特性，有望用于航空、航天、能源及汽车等高温结构件。目前，铸态Ti-Al金属间化合物，由于晶粒粗大、室温塑性低、加工性能差以及高温抗氧化性明显不足等缺点，成为其实用化的主要障碍。通过添加合金元素和外加颗粒对改善材料性能具有一定的作用，并且采用适当的方法和工艺可以使材料晶粒相对细小、性能得到明显改善的Ti-Al金属间化合物。但还存在如第二相颗粒容易团聚等缺点，而原位反应法合成的增强相是通过组元间的化学反应生成，它们与基体的界面干净、结合强度高，且分散性好等优点，从而使材料的力学性能显著提高。
在第二相的选择上，由于Al2O3(α＝8.6×10-6/K)的热胀系数与TiAl基体(α＝10.0×10-6/K)的非常接近，并且与TiAl有好的化学相容性和物理相容性。被认为是最有效的增强体之一。因此，在基体内原位自生Al2O3颗粒提高材料的力学性能成为近几年的研究热点，但主要集中在Al-Ti-TiO2体系中合成。[李志强，曲伟，韩杰才，等.Al-Ti-TiO2体系燃烧合成及其反应过程研究[J].无机材料学报，2002，17(2)：293-298；王芬，艾桃桃，罗宏杰.Nb2O5掺杂原位合成Al2O3/TiAl复合材料的组织与性能[J].材料热处理学报，2008，29(2)：26-30.]。但该系统配方下合成Al2O3/TiAl复合材料存在合成温度较高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种双相协同强化TiAl复合材料的制备方法，本发明以Ti粉和Al粉为主要原料，通过添加廉价的CuO粉，能够在较低温度条件下制备出Al2O3与Al6.1Cu1.2Ti2.7相共同强化的TiAl复合材料，从而提高了材料性能，降低成本，进一步拓宽了TiAl基复合材料的合成方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)首先，将Ti粉、Al粉和CuO粉的混合料装入刚玉球磨罐中，其中Ti与Al原子比为1：1.2～2，CuO引入量为Ti粉与Al粉混合物质量的8-18％，以无水乙醇为球磨介质，混合料与无水乙醇体积比为1:1；加入刚玉球石为研磨介质，混合料与研磨介质的质量比为1:3；
2)其次，将装有以上混合物的刚玉球磨罐在行星式球磨机上球磨，转速为600-800r/min，球磨时间为1-2h，球磨后的粉料在40-70℃干燥；
3)最后将干燥后的粉体，经40-80目筛网过筛后，装入石墨模型内进行热压烧结，真空度小于10-3Pa，温度为900-1100℃下，压力为25-35MPa下，热压1-2小时得到双相协同强化TiAl复合材料。
本发明的Ti粉过280目筛，纯度为99.3％，Al粉过200目筛，纯度为99.5％，CuO粉的纯度为99.0％，粒度为0.5μm。
本发明采用低廉原料Ti、Al、CuO粉末，由于CuO与Al2O3的标准生成自由焓差别非常大，Al与CuO有明显的反应趋势等特点，通过真空热压烧结工艺在较低温度下原位反应合成了Al2O3相与Al6.1Cu1.2Ti2.7合金相，两相协同增强的TiAl复合材料，使该材料的合成温度更低，性能更高，应用更广，不仅提升材料的力学性能，而且由于引入具有良好电热性的Cu元素，同时也为TiAl复合材料在电热方向发展打下基础。
附图说明
图1为在1000℃真空热压烧结得到的TiAl复合材料的XRD分析结果，其中(1)是添加10wt％CuO在980℃保温1.5h；(2)是添加18wt％CuO在1000℃保温2h，其中横坐标为XRD的测试2θ角，纵坐标为衍射峰强度；
图2为1000℃下真空热压烧结所得材料的断面形貌图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1，首先，将过280目筛的纯度为99.3％的Ti粉、过200目筛的纯度为99.5％的Al粉和粒度为0.5μm的纯度为99.0％的CuO粉的混合料装入刚玉球磨罐中，其中Ti与Al原子比为1：1.2，CuO引入量为Ti粉与Al粉混合物质量的8％，以无水乙醇为球磨介质，混合料与无水乙醇体积比为1:1；加入刚玉球石为研磨介质，混合料与研磨介质的质量比为1:3；其次，将装有以上混合物的刚玉球磨罐在行星式球磨机上球磨，转速为750r/min，球磨时间为1.5h，球磨后的粉料在40℃干燥；最后将干燥后的粉体，经40-80目筛网过筛后，装入石墨模型内进行热压烧结，真空度小于10-3Pa，温度为900℃下，压力为30MPa下，热压1小时得到双相协同强化TiAl复合材料。
实施例2，首先，将过280目筛的纯度为99.3％的Ti粉、过200目筛的纯度为99.5％的Al粉和粒度为0.5μm的纯度为99.0％的CuO粉的混合料装入刚玉球磨罐中，其中Ti与Al原子比为1：1.5，CuO引入量为Ti粉与Al粉混合物质量的10％，以无水乙醇为球磨介质，混合料与无水乙醇体积比为1:1；加入刚玉球石为研磨介质，混合料与研磨介质的质量比为1:3；其次，将装有以上混合物的刚玉球磨罐在行星式球磨机上球磨，转速为650r/min，球磨时间为2h，球磨后的粉料在60℃干燥；最后将干燥后的粉体，经40-80目筛网过筛后，装入石墨模型内进行热压烧结，真空度小于10-3Pa，温度为980℃下，压力为30MPa下，热压1.5小时得到双相协同强化TiAl复合材料。
实施例3，首先，将过280目筛的纯度为99.3％的Ti粉、过200目筛的纯度为99.5％的Al粉和粒度为0.5μm的纯度为99.0％的CuO粉的混合料装入刚玉球磨罐中，其中Ti与Al原子比为1：2，CuO引入量为Ti粉与Al粉混合物质量的14％，以无水乙醇为球磨介质，混合料与无水乙醇体积比为1:1；加入刚玉球石为研磨介质，混合料与研磨介质的质量比为1:3；其次，将装有以上混合物的刚玉球磨罐在行星式球磨机上球磨，转速为800r/min，球磨时间为1h，球磨后的粉料在50℃干燥；最后将干燥后的粉体，经40-80目筛网过筛后，装入石墨模型内进行热压烧结，真空度小于10-3Pa，温度为1100℃下，压力为35MPa下，热压2小时得到双相协同强化TiAl复合材料。
实施例4，首先，将过280目筛的纯度为99.3％的Ti粉、过200目筛的纯度为99.5％的Al粉和粒度为0.5μm的纯度为99.0％的CuO粉的混合料装入刚玉球磨罐中，其中Ti与Al原子比为1：1.4，CuO引入量为Ti粉与Al粉混合物质量的18％，以无水乙醇为球磨介质，混合料与无水乙醇体积比为1:1；加入刚玉球石为研磨介质，混合料与研磨介质的质量比为1:3；其次，将装有以上混合物的刚玉球磨罐在行星式球磨机上球磨，转速为700r/min，球磨时间为2h，球磨后的粉料在70℃干燥；最后将干燥后的粉体，经40-80目筛网过筛后，装入石墨模型内进行热压烧结，真空度小于10-3Pa，温度为1000℃下，压力为35MPa下，热压2小时得到双相协同强化TiAl复合材料。
实施例5，首先，将过280目筛的纯度为99.3％的Ti粉、过200目筛的纯度为99.5％的Al粉和粒度为0.5μm的纯度为99.0％的CuO粉的混合料装入刚玉球磨罐中，其中Ti与Al原子比为1：1.7，CuO引入量为Ti粉与Al粉混合物质量的16％，以无水乙醇为球磨介质，混合料与无水乙醇体积比为1:1；加入刚玉球石为研磨介质，混合料与研磨介质的质量比为1：3；其次，将装有以上混合物的刚玉球磨罐在行星式球磨机上球磨，转速为600r/min，球磨时间为2h，球磨后的粉料在55℃干燥；最后将干燥后的粉体，经40-80目筛网过筛后，装入石墨模型内进行热压烧结，真空度小于10-3Pa，温度为1080℃下，压力为25MPa下，热压1、1.5、2、2、1小时得到双相协同强化TiAl复合材料。
参见图1，由图1中可以看到，按照本发明的制备方法在1000℃下真空热压烧结制得的该材料的主晶相为TiAl，增强相为Al6.1Cu1.2Ti2.7，Al2O3相。
参见图2，由图2可以看出按照本发明的制备方法所得材料晶粒细小，结构致密。
Claims (2)
1.一种双相协同强化TiAl复合材料的制备方法，其特征在于：
1)首先，将Ti粉、Al粉和CuO粉的混合料装入刚玉球磨罐中，其中Ti与Al原子比为1∶1.2～2，CuO引入量为Ti粉与Al粉混合物质量的8-18％，以无水乙醇为球磨介质，混合料与无水乙醇体积比为1∶1；加入刚玉球石为研磨介质，混合料与研磨介质的质量比为1∶3；
2)其次，将装有以上混合物的刚玉球磨罐在行星式球磨机上球磨，转速为600-800r/min，球磨时间为1-2h，球磨后的粉料在40-70℃干燥；
3)最后将干燥后的粉体，经40-80目筛网过筛后，装入石墨模型内进行热压烧结，真空度小于10-3Pa，温度为900-1100℃，压力为25-35MPa，热压1-2小时得到双相协同强化TiAl复合材料。
2.根据权利要求1所述的双相协同强化TiAl复合材料的制备方法，其特征在于：所说的Ti粉过280目筛，纯度为99.3％，Al粉过200目筛，纯度为99.5％，CuO粉的纯度为99.0％，粒度为0.5μm。
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