CN101649398A

CN101649398A - 原位反应合成TiCx颗粒增强镍基复合材料的方法

Info

Publication number: CN101649398A
Application number: CN200910091602A
Authority: CN
Inventors: 刘宗德; 李斌; 田娟; 胡卫强
Original assignee: BEIJING HUADIAN NAXIN TECHNOLOGY Co Ltd; North China Electric Power University
Current assignee: BEIJING HUADIAN NAXIN TECHNOLOGY Co Ltd; North China Electric Power University
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2029-08-28
Also published as: CN101649398B

Abstract

一种原位反应合成TiC_x颗粒增强镍基复合材料的方法，属于复合材料领域。制备工艺包括：混合粉末的制备：粉末材料由Ti、C、Al、Fe、Mo组成，其中，Al粉：8－12wt.％，Fe粉：12－15wt.％，Mo粉：3－5wt.％，石墨C粉：8－12wt.％，余量为Ti粉，粉末中Ti粉重量与C粉重量的比值需满足(5－6.7)∶1的关系；粉芯片的制备：将Ni箔卷成直径16－25mm的圆筒，在圆筒内灌入球磨混料后的混合粉末；熔炼及浇铸工艺：利用真空中频感应熔炼炉制备TiC_x/Ni复合材料。优点在于，制备出TiC_x体积分数为20－40％的TiC_x/Ni复合材料；致密度接近100％，高温强度、硬度显著高于常规镍基高温合金。

Description

原位反应合成TiCx颗粒增强镍基复合材料的方法

技术领域

本发明属于复合材料领域，特别是涉及一种原位反应合成TiC_x颗粒增强镍基复合材料的方法，利用熔铸法原位反应合成20-40％体积分数TiC_x颗粒增强镍基复合材料。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料由于具有高的比强度和比模量、耐高温、耐磨损以及热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的性能，已成为复合材料的重要组成部分，在最近30年内得到了长足的发展。颗粒增强金属基复合材料兼顾了金属良好的韧性和陶瓷的高耐磨性，具有单一金属或陶瓷材料不可比拟的优异性能。由于金属基复合材料的制备成本较高、工艺较复杂等原因而限制了其应用范围，目前仅铝基复合材料得到了较为成熟的应用。

TiC_x陶瓷(x可在0.5-1范围变化)具有高硬度、高熔点、高模量和良好的耐腐蚀性能，TiC_x颗粒增强的金属基复合材料既保留了TiC_x的优点，又具有良好的韧性，在民用及国防领域具有广阔的应用前景。传统外加TiC_x颗粒制备TiC_x颗粒增强镍基复合材料(以下简称TiC_x/Ni复合材料)的方法主要有粉末冶金、熔铸、真空液态金属浸渗法等，其主要缺点是陶瓷相与粘结相润湿性差，工艺复杂、成本较高，TiC_x陶瓷相体积分数一般小于15％。

利用熔铸法制备TiC_x/Ni复合材料时，如采用在Ni熔体中直接加入Ti、C块体或粉末的方法，其局限性在于：(1)由于Ti、C比重低于Ni熔体，会产生C和Ti上浮且形成熔渣、Ti-C反应不完全等问题；(2)Ti、C加入量有限，所形成TiC_x/Ni复合材料中，TiC_x陶瓷相体积分数一般小于15％。

自蔓延高温合成法(SHS)是一种合成陶瓷及复合材料的新方法，又称燃烧合成法(CS)。与传统外加陶瓷颗粒的方法相比，SHS法合成材料具有工艺简单、过程时间短、合成产物纯度高、可以直接制备致密材料等优点，但自蔓延高温合成技术适合制备高陶瓷体积分数的金属陶瓷。对于TiC_x/Ni复合材料而言，只有当TiC_x体积分数为50-90％时，才能采用自蔓延高温合成法(当TiC_x体积分数大于50％时，常称为TiC_x/Ni金属陶瓷)；而当TiC_x体积分数小于50％时，由于Ti-C反应所放出的热量有限，很难形成致密、反应完全的块体TiC_x/Ni复合材料。因此，低孔隙率、界面结合良好、且TiC_x体积分数为20-50％的TiC_x/Ni复合材料的制备为当今的技术难点。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种原位反应合成TiC_x颗粒增强镍基复合材料的方法，解决上述关于TiC_x体积分数为20-50％的TiC_x/Ni复合材料制备技术的难题，该复合材料中TiC_x陶瓷相体积分数可达20-40％。实现本发明的工艺步骤如下：

1、混合粉末的制备

粉末材料由Ti、C、Al、Fe、Mo等组成。所选用的粉末中，Al粉(100-200目、纯度≥99.5％)：8-12wt.％，Fe粉(100-200目、纯度≥99.6％)：12-15wt.％，Mo粉(100-200目、纯度≥99.6％)：3-5wt.％，石墨C粉(200-300目、纯度≥99.6％)：8-12wt.％，其余为Ti粉(100-200目、纯度≥99.6％)；上述粉末中，Ti粉与C粉重量比需满足(5-6.7)∶1的关系，即Ti、C原子比近似满足1∶(0.55-0.8)的关系。

上述混合粉末中，Ti粉、C粉作用是在高温下发生强放热反应原位生成TiC_x增强相(x在0.6-1范围)，由于Ti与C原子比小于1，可使高温反应过程中少部分Ti扩散至粘结相中，复合材料凝固后使粘结相达到固溶强化目的。添加Al的目的是提高所形成TiC_x/Ni复合材料的抗高温氧化性能，并提高复合材料的高温强度；添加Fe的作用是通过Fe的固溶强化来提高粘结相的强度，并降低成本；添加Mo的作用是改善TiC_x与Ni的润湿性。

将上述配比的混合粉末放入干燥箱中干燥5-8小时，然后放入球磨机中混料4-6小时，得到成分均匀的混合粉末。

2、粉芯片的制备

粉芯片的外皮为Ni箔，其纯度≥99.5％，Ni箔厚度在60-150μm范围，宽度在60-90mm范围，长度在150-200mm范围。将Ni箔卷成直径16-25mm的圆筒，在圆筒内灌入由步骤1所述球磨混料后的混合粉末，使Ni箔与混合粉末的重量比为1∶9。将含粉末圆筒两端压扁封闭，然后将含粉末圆筒放入具有矩形截面槽模具的液压压力机中，利用压力机压头将含粉末圆筒压成矩形截面粉芯片，压头施加在含粉末圆筒上的压强为50-100MPa，加压时间为10-20秒。

粉芯片的作用是：

(1)混合粉末紧密接触并被约束在Ni箔内，使熔炼时各种粉末被迅速加热至高温；

(2)由于Ti、C粉末由镍箔包覆并紧密接触，使熔炼过程中Ti、C迅速发生反应生成TiC_x，防止C粉在熔炼过程中上浮形成熔渣。

3、熔炼及浇铸工艺

利用真空中频感应熔炼炉制备TiC_x/Ni复合材料，具体步骤为：

(1)选用纯度为99.5-99.97％的电解Ni块和步骤2所述粉芯片作为熔炼材料，其中电解Ni块的重量百分比为65-75wt.％，余量为粉芯片；

(2)按上述重量比，先将粉芯片置在坩埚底部(坩埚置于真空中频感应熔炼炉内)，然后将电解Ni块置于粉芯片上部的坩埚中；

(3)关闭炉门，将熔炼炉抽至真空度为0.05-0.1Pa；

(4)通入氩气，使其压强为0.04-0.08MPa；

(5)接通电源并调节电流，使中频感应装置的功率达到25-30kW，利用中频感应加热原理将炉内温度升至1620-1800℃，搅拌精炼时间为3-8分钟；

(6)将坩埚内的复合材料熔体浇入预先置于炉内的石墨模具内凝固成型；

(7)当浇铸的复合材料冷却后，将其从模具中取出，最终得到所需尺寸的平板状TiC_x/Ni复合材料。

本发明的优点在于，利用熔铸原位反应合成TiC_x的方法制备TiC_x体积分数为20-40％的TiC_x/Ni复合材料。由于陶瓷相在熔炼过程中原位生成，陶瓷相与粘结相界面洁净、润湿性好，从而得到致密度接近100％、高强度、较高硬度的耐高温复合材料，其高温强度、硬度显著高于常规镍基高温合金。

附图说明

图1为按本发明所述方法制备的TiC_x/Ni复合材料的扫描电镜照片。

图2按本发明所述方法制备的TiC_x/Ni复合材料的能谱分析结果，TiC_0.8相1，TiC_0.93相2，Ni-Al-Ti-Mo合金粘结相3。

图3为按本发明所述方法制备的TiC_x/Ni复合材料的外观照片。

具体实施方式

实施例：

按如下步骤制备大块TiC_x/Ni复合材料。

1、混合粉末的制备

选用Ti、C、Al、Fe、Mo等粉末材料。所选用的粉末中，Al粉(-100目、纯度99.8％)：12wt.％，Fe粉(-100目、纯度99.8％)：15wt.％，Mo粉(-200目、纯度99.9％)：3wt.％，石墨C粉(-200目、纯度99.8％)：10wt.％，其余为Ti粉(-100目、纯度99.9％)。

将上述配比的混合粉末放入干燥箱中干燥6小时，然后放入球磨机中混料5小时，得到成分均匀的混合粉末。

2、粉芯片的制备

粉芯片的外皮为Ni箔，其纯度99.8％，Ni箔厚度为100μm，宽度为70mm，长度为200mm。将Ni箔卷成直径约为18mm的圆筒，在圆筒内灌入由步骤1所述球磨混料后的混合粉末，使Ni箔与混合粉末的重量比为1∶9。将含粉末圆筒两端压扁封闭，然后将含粉末圆筒放入压力机具有矩形截面槽的模具中，利用压力机压头将含粉末圆筒压成矩形截面粉芯片，压头施加在含粉末圆筒上的压强为80MPa，加压时间为12秒。

3、熔炼及浇铸工艺

(1)选用纯度为99.97％的电解Ni块和步骤2所述粉芯片作为熔炼材料，其中电解Ni块的重量百分比为70wt.％，余量为粉芯片；(2)按上述重量比，先将粉芯片置在坩埚底部，然后将电解Ni块置于粉芯片上部的坩埚中；(3)将坩埚置于熔炼炉中，关闭炉门，将熔炼炉抽至真空度为0.1Pa；(4)在熔炼炉内通入氩气，使其压强为0.05MPa；(5)接通电源并调节电流，使中频感应装置的功率达到28kW，利用中频感应加热原理将炉内温度升至1650℃，搅拌精炼时间为4分钟；(6)将坩埚内的复合材料熔体浇入预先置于炉内的石墨模具内凝固成型，石墨模具的内腔尺寸为100×200×20mm³；(7)当浇铸的复合材料冷却后，将其从模具中取出，最终得到尺寸为100×200×20mm³的平板状TiC_x/Ni复合材料。

Claims

1、一种原位反应合成TiC_x颗粒增强镍基复合材料的方法，其特征在于，工艺步骤为：

(1)混合粉末的制备

粉末材料由Ti、C、Al、Fe、Mo组成，其中，Al粉：8-12wt.％，Fe粉：12-15wt.％，Mo粉：3-5wt.％，石墨C粉：8-12wt.％，余量为Ti粉，粉末中Ti粉与C粉重量比需满足(5-6.7)∶1的关系；

将上述配比的混合粉末放入干燥箱中干燥5-8小时，然后放入球磨机中混料4-6小时，得到成分均匀的混合粉末；

(2)粉芯片的制备

粉芯片的外皮为Ni箔，将Ni箔卷成直径16-25mm的圆筒，在圆筒内灌入所述球磨混料后的混合粉末，使Ni箔与混合粉末的重量比为1∶9；将含粉末圆筒两端压扁封闭，然后将含粉末圆筒放入具有矩形截面槽模具的液压压力机中，利用压力机压头将含粉末圆筒压成矩形截面粉芯片，压头施加在含粉末圆筒上的压强为50-100MPa，加压时间为10-20秒；

(3)熔炼及浇铸工艺：利用真空中频感应熔炼炉制备TiC_x/Ni复合材料。

2、根据权利要求1所属的方法，其特征在于，所述的熔炼及浇铸工艺步骤为：

(1)选用纯度为99.5-99.97％的电解Ni块和粉芯片作为熔炼材料，其中电解Ni块的重量百分比为65-75wt.％，余量为粉芯片；

(2)按上述重量比，先将粉芯片置在坩埚底部，然后将电解Ni块置于粉芯片上部的坩埚中，并将坩埚置于真空中频感应熔炼炉内；

(3)关闭炉门，将熔炼炉抽至真空度为0.05-0.1Pa；

(4)通入氩气，使其压强为0.04-0.08MPa；

(7)当浇铸的复合材料冷却后，将其从模具中取出，得到所需尺寸的平板状TiC_x/Ni复合材料。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Al粉：100-200目、纯度≥99.5％，Fe粉：100-200目、纯度≥99.6％；Mo粉：100-200目、纯度≥99.6％；石墨C粉：200-300目、纯度≥99.6％，Ti粉：100-200目、纯度≥99.6％。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Ni箔的纯度≥99.5％，Ni箔厚度在60-150μm范围，宽度在60-90mm范围，长度在150-200mm范围。