CN101555575A - 一种钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛铝金属间化合物－碳纳米管复合材料，由钛铝金属间化合物与碳纳米管组成；其中：所述复合材料的组分以体积百分比计：碳纳米管为1％～5％，余量为钛铝金属间化合物。该复合材料是利用粉末混合法制备，所得的钛铝金属间化合物－碳纳米管复合材料具有更低的密度、更高的抗压强度，可应用于航空航天领域。

Description

一种钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种钛铝基复合材料及其制备方法，尤其涉及一种钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料及其制备方法。属于金属材料科学与纳米材料科学领域。
背景技术
TiAl基金属间化合物具有较低的密度，在高温下能保持高强度和弹性模量，在室温下有一定的延展性，并且有相当好的抗氧化能力，同时它还有良好的抗蠕变及抗氧化能力，这些优点使其成为航空、航天、飞航导弹用发动机以及汽车的轻质耐热结构件的最具竞争力的材料。然而室温环境下的低塑性及伴随而来的成形性差阻碍了其实际应用。为此许多研究者试图通过添加第二相来解决成型及应用问题。近年来，人们采取合金化如添加Y，Nb等合金元素使TiAl合金的室温塑性和强度得到明显改善。此外，通过在基体中加入塑性粒子或塑性纤维等可以弥补合金的高温强度低的不足，在合金中加入SiC晶须来制成纤维增强的的TiAl基合金。合金化和塑性纤维的加入在一定程度上改善了TiAl合金的综合性能，即使如此，在某些苛刻条件下应用时，仍存在现有的材料组成无法满足的。如专利号为200710018383.5的中国专利“一种高铌TiAl金属间化合物复合材料的制备方法”公开了一种主要成分为TiAl、NbAl3、Al2O3的金属间化合物基复合材料，尽管材料成分可调性大，烧结温度低，结构均匀致密，成本低，力学性能优异。
因此，开发出具有低密度、高强度的新型钛铝基金属间化合物复合材料及其制备方法成为本领域的重要问题。而碳纳米管具有较高的强度、弹性模量，被认为是理想的补强增韧材料。但是，经检索以碳纳米管为增强体，钛铝金属间化合物为基体来制备复合材料的方法还未见报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料及其制备方法，利用该方法可以制得高强度、高韧性的纳米复合材料。
本发明所述钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料，由钛铝金属间化合物与碳纳米管制成；其特征是：所述复合材料的组分以体积百分比(vol％)计：碳纳米管为1％～5％，余量为钛铝金属间化合物。
进一步的优选方式是：所述复合材料的组分以体积百分比计：碳纳米管为2％～3％，余量为钛铝金属间化合物。
更进一步的优选方式是：所述复合材料的组分以体积百分比计：碳纳米管为2％，钛铝金属间化合物为98％。
其中：所述碳纳米管为多壁型碳纳米管。
本发明所述的钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料的制备方法，步骤是：
(1)将组分原料按式TixAly成分量进行配比，其中x，y均为原子百分数，且30.5＜x＜52，48＜y＜69.5，并置于熔炼炉中熔炼成钛铝合金母合金锭；
(2)将上述母合金锭研磨10～12小时，收集平均粒度小于300μm的钛铝母合金粉末，并进行干燥；
(3)以总量为100％体积计，将体积百分含量为1％～5％的碳纳米管粉末与体积百分含量为95％～99％的钛铝母合金粉末进行混合并研磨，干燥，得复合粉末；
(4)将上述复合粉末置于模中，以压力为150～180MPa，时间为30～60分钟的条件压制成压坯；
(5)将压坯熔化成熔体；其熔化工艺为：采用高频感应炉，炉内真空度为10-3Pa；在合金没有熔化前，感应炉的功率以0.3～0.6kw/min的速率递增，当合金一旦开始熔化，则功率以1～3kw/s的速率递增，直至合金压坯完全熔化；
(6)在惰性气氛的保护下将上述合金熔体吹入水冷铜模中冷却，冷却后得钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料。
上述钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料的制备方法中：
步骤(1)所述用于制备钛铝母合金锭的各组分原料纯度至少为99.5％。
步骤(2)所述研磨优选采用机械研磨。
步骤(3)所述碳纳米管的纯度高于90％。
步骤(4)所述压力优选为160～170MPa，时间优选为40～50分钟。
步骤(5)所述熔化工艺为：采用高频感应炉，炉内真空度为10-3Pa；在合金没有熔化前，感应炉的功率以0.4～0.5kw/min的速率递增，当合金一旦开始熔化，则功率以2～3kw/s的速率递增，直至合金压坯完全熔化。
步骤(6)所述惰性气氛采用氩气实现。
步骤(5)所述合金熔体的冷却方法是在合金熔化后，立即用氩气以300～600mbar的压力将合金熔体吹入水冷铜模中，以小于100K/s的冷却速率冷却至常温。
利用本发明所述的钛铝-碳纳米管复合材料的制备方法，可以对增强相和制备方法进行优化选择，改善钛铝金属间化合物的综合性能。
经本发明方法制备的钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料，可广泛应用于铸造翼面、铸造压气机套筒等。
具体实施方式
实施例1：
(1)将纯度为99.5％的Ti、Al按Ti48Al52所需要的原子配比在氩气气氛中电弧熔炼，使之混合均匀，冷却得到Ti48Al52母合金铸锭；
(2)将母合金铸锭用机械研磨的方法研磨成平均粒经小于300μm的粉末，并用烘干机烘干；
(3)将体积百分比为1％的碳纳米管与钛铝合金粉混合，并用小功率的机械合金化的设备对由碳纳米管与钛铝合金粉末组成的混合粉末进行研磨，研磨时间为15小时。混合粉末被均匀混合后，放入烘干机中在473K的温度下进行常时间烘干，以排除混合粉末中含有的水分；
(4)将步骤(3)所得复合粉体在直径为42mm的模中压坯，压制压力为150MPa，压制时间为30分钟；
(5)将步骤(4)所得压坯放入石英管中，在高频感应炉中央快速熔化，高频感应炉真空室的真空度应达到10-3Pa；在合金没有熔化前，感应炉的功率以0.3kw/min的速率递增；当合金一旦开始熔化，则功率以1kw/s的速率递增，直至合金完全熔化；
(6)将上述熔化后的熔体用高纯氩气以300mbar的压力下吹入水冷铜模中，并以60K/s冷却速率冷却，制备出钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料。
上述制得的复合材料经测定强度为650MPa。
实施例2：
(1)将纯度为99.7％的Ti、Al按Ti50Al50所需要的原子配比在氩气气氛中电弧熔炼，使之混合均匀，冷却得到Ti50Al50母合金铸锭；
(2)将母合金铸锭用机械研磨的方法研磨成平均粒经小于300μm的粉末，并用烘干机烘干；
(3)将体积百分比为2％的碳纳米管与钛铝合金粉混合，并用小功率的机械合金化的设备对由碳纳米管与钛铝合金粉末组成的混合粉末进行研磨，研磨时间为18小时。混合粉末被均匀混合后，放入烘干机中在473K的温度下进行常时间烘干，以排除混合粉末中含有的水分；
(4)将步骤(3)所得复合粉体在直径为42mm的模中压坯，压制压力为165MPa，压制时间为45分钟；
(5)将步骤(4)所得压坯放入石英管中，在高频感应炉中央快速熔化，高频感应炉真空室的真空度应达到10-3Pa；在合金没有熔化前，感应炉的功率以0.5kw/min的速率递增；当合金一旦开始熔化，则功率以2kw/s的速率递增，直至合金完全熔化；
(6)将上述熔化后的熔体用高纯氩气以450mbar的压力下吹入水冷铜模中，并以80K/s的冷却速率冷却，制备出钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料。
上述制得的复合材料经测定强度为800MPa。
实施例3：
(1)将纯度为99.8％的Ti、Al按Ti30.5Al69.5所需要的原子配比在氩气气氛中电弧熔炼，使之混合均匀，冷却得到Ti30.5Al69.5母合金铸锭；
(2)将母合金铸锭用机械研磨的方法研磨成平均粒经小于300μm的粉末，并用烘干机烘干；
(3)将体积百分比为5％的碳纳米管与钛铝合金粉混合，并用小功率的机械合金化的设备对由碳纳米管与钛铝合金粉末组成的混合粉末进行研磨，研磨时间为24小时。混合粉末被均匀混合后，放入烘干机中在473K的温度下进行常时间烘干，以排除混合粉末中含有的水分；
(4)将步骤(3)所得复合粉体在直径为42mm的模中压坯，压制压力为180MPa，压制时间为60分钟；
(5)将步骤(4)所得压坯放入石英管中，在高频感应炉中央快速熔化，高频感应炉真空室的真空度应达到10-3Pa；在合金没有熔化前，感应炉的功率以0.6kw/min的速率递增；当合金一旦开始熔化，则功率以3kw/s的速率递增，直至合金完全熔化；
(6)将上述熔化后的熔体用高纯氩气以600mbar的压力下吹入水冷铜模中，并以40K/s的冷却速率冷却，制备出钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料。
上述制得的复合材料经测定强度为750MPa。

Claims (10)

1.一种钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料，由钛铝金属间化合物与碳纳米管制成；其特征是：所述复合材料的组分以体积百分比计：碳纳米管为1％～5％，余量为钛铝金属间化合物。
2.如权利要求1所述的钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料，其特征是：所述复合材料的组分以体积百分比计：碳纳米管为2％～3％，余量为钛铝金属间化合物。
3.如权利要求2所述的钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料，其特征是：所述复合材料的组分以体积百分比计：碳纳米管为2％，钛铝金属间化合物为98％。
4.如权利要求1～3之一所述的钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料，其特征是：所述碳纳米管为多壁型碳纳米管。
5.权利要求1～3之一所述的钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料的制备方法，步骤是：
(1)将组分原料按式TixAly成分量进行配比，其中x，y均为原子百分数，且30.5＜x＜52，48＜y＜69.5，并置于熔炼炉中熔炼成钛铝合金母合金锭；
(2)将上述母合金锭研磨10～12小时，收集平均粒度小于300μm的钛铝母合金粉末，并进行干燥；
(3)以总量为100％体积计，将体积百分含量为1％～5％的碳纳米管粉末与体积百分含量为95％～99％的钛铝母合金粉末进行混合并研磨，干燥，得复合粉末；
(4)将上述复合粉末置于模中，以压力为150～180MPa，时间为30～60分钟的条件压制成压坯；
(5)将压坯熔化成熔体；其熔化工艺为：采用高频感应炉，炉内真空度为10-3Pa；在合金没有熔化前，感应炉的功率以0.3～0.6kw/min的速率递增，当合金一旦开始熔化，则功率以1～3kw/s的速率递增，直至合金压坯完全熔化；
(6)在惰性气氛的保护下将上述合金熔体吹入水冷铜模中冷却，冷却后得钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料。
6.如权利要求5所述的钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征是：步骤(1)所述用于制备钛铝母合金锭的各组分原料纯度至少为99.5％。
7.如权利要求5所述的钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征是：步骤(2)所述研磨采用机械研磨。
8.如权利要求5所述的钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征是：步骤(3)所述碳纳米管的纯度高于90％。
9.如权利要求5所述的钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征是：步骤(6)所述惰性气氛采用氩气实现。
10.如权利要求5所述的钛铝金属间化合物-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征是：步骤(6)所述合金熔体的冷却方法是在合金熔化后，立即用氩气以300～600mbar的压力将合金熔体吹入水冷铜模中，以小于100K/s的冷却速率冷却至常温。
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