CN102086023A - 溶胶-凝胶结合铝热反应原位合成方法及用该方法合成的FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明利用溶胶-凝胶法结合铝热反应原位合成制备了FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。该复合材料具有较高的高温强度、室温韧性,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能等综合性能。本发明的方法包括:点燃铝热剂,从而产生处于熔融状态的高温熔体;把所述高温熔体注入到预置的速冷模具中,从而制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。所述铝热剂由Fe2O3、NiO、Cr2O3、CrO3、Al、TiO2凝胶组成。该复合材料具有晶粒细小的特点。
Description
技术领域
本发明涉及利用溶胶--凝胶结合铝热反应原位合成方法和用该方法制备的FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。复合材料有望获得较高的高温强度、室温韧性,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能等综合性能。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料(简称MMCs)是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进入金属基体中得到兼有金属优点(韧性和塑性)和增强颗粒优点(高硬度和高模量)的复合材料。例如通过机械合金化(MA)制备的Fe基氧化物弥散分布强化(oxide-dispersion-strengthened,ODS)合金,在Fe合金基体中生成细小的均匀分布的Y2O3颗粒,获得了抗高温蠕变和抗氧化性的综合性能。可是这样制备的合金成本很高,工艺也相当复杂。
Al2O3具有高硬度、高弹性模量、较低的反应生成自由能,同时还具有熔点高、密度低、抗氧化能力强等优点,是一种性能良好的增强颗粒。
长期以来,对Al2O3颗粒增强Fe基高温合金制造工艺的研究侧重于传统的外加增强体复合法,如铸造复合、粉末冶金复合、喷射沉积复合等。这些方法存在一些不足之处,主要体现为这几个方面:
(1)Al2O3颗粒与Fe合金基体相互润湿的效果普遍不好,造成增强体与基体的界面结合不良;
(2)Al2O3颗粒表面容易受到污染,常常产生其他掺杂物质,使Al2O3颗粒与Fe元素基体的结合强度降低;
(3)Al2O3颗粒在添加过程中极易产生团聚,使复合材料有严重的宏观成分偏析,材料组织粗大,性能明显降低;
(4)Al2O3颗粒制备工艺复杂,制备成本高,造成此类复合材料的工艺成本高。
铝热反应原位复合法是一种制备复合材料的新方法,近几年得到了迅速的发展。铝热反应原位复合法在反应过程中会生成大量的Al2O3,由于Al2O3的密度小,与基体的润湿性较差,在重力场的作用下很容易从熔体中分离出来,浮在最上层,形成氧化铝渣层。
因此,迫切需要相应的措施,以增大Al2O3与Fe元素基体的润湿性和/或使得反应生成的Al2O3以留在原位的增强颗粒的形式存在。
发明内容
根据本发明的一个方面,提供了FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料的铝热反应原位合成方法,其特征在于包括:
点燃铝热剂,从而产生处于熔融状态的高温熔体,
把所述高温熔体注入到预置的速冷模具中,从而制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
根据本发明的一个进一步的方面,所述铝热剂含有二氧化钛凝胶。
根据本发明的一个进一步的方面,所述铝热剂由Fe2O3、NiO、Cr2O3、CrO3、Al、TiO2凝胶组成。
根据本发明的一个进一步的方面,所述铝热剂包含:
31.7-36.6Wt.%的Fe2O3;
7.0-11.9Wt.%的NiO;
3.6-8.5Wt.%的Cr2O3;
8.9-13.8Wt.%的CrO3;
23.8-28.7Wt.%的Al;
0.5-25.0Wt.%的TiO2凝胶。
根据本发明的另一个方面,提供了用上述方法获得的FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
附图说明
图1显示了根据本发明的一个实施例的复合材料的XRD图谱。
图2显示了根据本发明的一个实施例的复合材料的基体TEM显微组织
图3显示了根据本发明的一个实施例的复合材料的TEM显微组织。
具体实施方式
根据本发明的一个方面,通过向铝热剂中添加溶胶--凝胶法制备的纳米TiO2颗粒,提高了Al2O3与基体的润湿性,实现了可直接制备出Al2O3增强的纳米复合材料的铝热合成法和Al2O3增强的纳米复合材料。
根据本发明的纳米复合材料由纳米级的基体(FeNiCrTi)晶粒和纳米级的金属间化合物NiAl和氧化铝Al2O3颗粒组成。图1显示了根据本发明的一个实施例的复合材料的X射线衍射(XRD)图谱,表明该复合材料由体心立方结构的铁素体(α-FeNiCrTi)、金属间化合物NiAl和Al2O3组成。
透射电镜(TEM)分析(如图2和3所示)进一步表明,该复合材料的基体是铁素体(α-FeNiCrTi)。从图2和3可见,超过90%的晶粒尺寸在约10nm以下,约50纳米左右的较大的颗粒被认为是约10纳米以下尺寸的Al2O3颗粒与同样是约10纳米以下尺寸的NiAl颗粒相混合共存而形成的混合相区,且这些较大的颗粒均匀弥撒分布在铁素体基体内(如图3所示)。
复合材料超细晶粒组织的形成与Al2O3所起的异质形核作用有关。在根据本发明的方法的反应过程中,Al2O3最先形成,且由于Al2O3的熔点较高(2303K),在铜模快速冷却条件下Al2O3最先结晶,大量的Al2O3颗粒成为结晶晶核,极大地提高了结晶形核率,并且Al2O3分布弥散,有效地抑制基体组织长大;此外,复合材料是在快速冷却条件下制得,冷速很快,晶粒来不及长大,因此复合材料晶粒细小。
Al2O3密度小,与铁镍铬合金熔体润湿性较差,传统上在重力作用下很容易从熔体中分离出来,浮在最上层,形成氧化铝渣层。但在根据本发明的方案中,由于Ti元素的影响,使得Al2O3与FeNiCrTi熔体润湿性得到改善,在重力场中因Al2O3颗粒与合金熔体密度差别所产生的上浮力不足以克服Al2O3颗粒与合金熔体间的润湿结合力,从而使Al2O3能够均匀分布在复合材料的基体中。
从元素能谱成分分析结果可以看出,Ti元素集中分布在Al2O3/基体相界面附近,而在Al2O3颗粒及基体内部的含量却低得多.这是由于Ti元素对氧具有高的化学活性,在材料形成过程中,Ti元素通过吉布斯化学吸附而向Al2O3/基体相界面富集的结果.从结构上看,Al2O3的表面由氧原子所覆盖,这样的表面与熔融金属接触时,金属原子与氧原子之间即会产生亲合力,这种亲合力决定着液态金属对Al2O3的润湿性。所以,高氧活性Ti元素在界面的富集使基体对Al2O3的润湿性大大改善。
根据本发明的一个实施例的方法包括:
用溶胶-凝胶工艺制备二氧化钛凝胶;
用上述二氧化钛凝胶配制铝热剂。
根据本发明的另一个实施例的方法包括:
点燃所述铝热剂,从而产生处于熔融状态的高温熔体,
把所述高温熔体注入到预置的速冷模具中,从而制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
根据本发明的一个具体实施例,把铝热剂按预定的成分表配制好,将铝热剂混合均匀并装入(用诸如石墨制成的)坩埚中。然后进行上述点燃铝热剂的操作。
根据本发明的另一个具体实施例,在坩埚外部包覆保温材料防止散热;
根据本发明的另一个具体实施例,用铝箔密封所述坩埚的底部。
根据本发明的另一个具体实施例,在进行上述点燃铝热剂的操作之前,将所述坩埚放入干燥箱中进行预热。
根据本发明的另一个具体实施例,上述预热在200℃下进行3小。
根据本发明的另一个具体实施例,把进行了上述预热之后的所述坩埚置于所述模具上。
根据本发明的另一个具体实施例,所述模具优选地是铜模具。
根据本发明的另一个具体实施例,上述点燃铝热剂的操作包括用钨丝通电点燃铝热剂,反应持续8-10秒,放出大量的热量,使所有产物都处于熔融状态。
根据本发明的另一个具体实施例,上述方法包括使所述高温熔体把所述铝箔熔穿,从而使所述高温熔体注入到所述预置的铜模具中,从而制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
根据本发明的用原位合成反应合成复合材料的方法,与传统的材料制备方法相比,具有显著的优点,包括:
-由于增强相是在基体中通过反应、形核、长大生成的,因而这些增强相在热力学上是稳定的,
-增强相表面无污染,消除了基体相和增强界面的不相容性,
-增强相细小弥散,分布均匀,且其数量也可在较大范围内调整,工艺简便,成本低,可制得形状复杂、尺寸大的零件,
-Al2O3具有高硬度、高弹性模量、较低的反应生成自由能;金属间化合物NiAl具有熔点高、密度低、良好的导热性以及优异的抗氧化能力,
-Al2O3、NiAl颗粒和金属基体都由化学反应得到,产物原位合成,
-Al2O3和NiAl颗粒表面清洁,与基体结合强度高,
-具有CsCl型结构的NiAl与bcc结构的α-FeNiCr固溶体晶格常数极为接近,分别为0.286nm和0.287nm,有可能形成类似于镍基高温合金中γ’相(Ni3Al)的共格强化效果,
-所生成的复合材料有望获得较高的高温强度、室温韧性,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能等综合性能。
Al2O3密度小,与基体的润湿性较差,外加增强体的传统工艺很难实现Al2O3与基体的结合。纳米TiO2颗粒在铝热反应中可以有效地提高Al2O3与基体的润湿性,同时对晶粒的尺寸也有明显的抑制作用。通过溶胶--凝胶法制备纳米TiO2颗粒,工艺简单,操作便利,合成温度低,条件易控,具有良好的成型性,在水解过程中能促进晶核的形成,抑制晶核的长大和颗粒的聚集,得到的产品具有良好的均一性和较高的纯度。反应中有四个主要参数对溶胶-凝胶化过程有重要影响,即溶液的pH值,溶液浓度,反应温度和反应时间。通过本发明的方法,可以制备出小至纳米的超细粉体。
根据本发明的一个实施例,所采用的铝热剂包括:
Fe2O3;
NiO;
Cr2O3;
CrO3;
Al;
TiO2凝胶。
根据本发明的一个实施例,所述铝热剂中TiO2凝胶的含量为约0.5-25.0Wt.%。
根据本发明的一个实施例,所采用的铝热剂包括:
31.7-36.6Wt.%的Fe2O3;
7.0-11.9Wt.%的NiO;
3.6-8.5Wt.%的Cr2O3;
8.9-13.8Wt.%的CrO3;
23.8-28.7Wt.%的Al;
0.5-25.0Wt.%的TiO2凝胶。
根据本发明的一个实施例,所述TiO2凝胶采用冰醋酸法制备。
根据本发明的另一个实施例,所述TiO2凝胶采用TiCl4水解法制备。
根据本发明的又一个实施例,所述TiO2凝胶采用硬脂酸法制备。
根据本发明的一个实施例,所述TiO2凝胶是用如下方法制作的:
室温下将冰醋酸加到盛有无水乙醇的烧杯中,再加入钛酸四丁酯,搅拌使之混合均匀,得到淡黄色透明溶液,
搅拌下将去离子水缓慢滴加到所述淡黄色透明溶液中,滴加完毕得到均匀透明的溶胶,继续搅拌,通过溶剂慢慢挥发得半透明湿凝胶,
继续搅拌并用水浴保温,直至反应体系成为一整块不能流动的胶块为止,
在空气中放置、陈化,
烘干得到淡黄色晶体,
研磨得到TiO2凝胶粉末。
根据本发明的又一个实施例,所述TiO2凝胶是用如下方法制作的:
将一定量的TiCl4滴入蒸馏水中,
将溶有硫酸铵和浓盐酸的水溶液滴加到所得的四氯化钛水溶液中,并搅拌,
将前一步骤所得的混合物升温至并保温预定时间后,加入浓氨水,调节pH值为6左右,再冷却至室温并陈化、过滤,在室温条件下将沉淀干燥,研磨得到TiO2凝胶粉末。
根据本发明的又一个实施例,所述TiO2凝胶是用如下方法制作的:
把硬脂酸溶于钛酸丁酯中,
升温至硬脂酸熔解,
磁力搅拌至形成半透明溶胶,
自然冷却形成凝胶,再在空气中放置、陈化;
烘干得到晶体,
研磨得到TiO2凝胶粉末。
实施例:
实施例一
(1)采用冰醋酸法制备TiO2凝胶。反应物摩尔比:钛酸四丁酯∶乙醇∶水∶冰醋酸=1∶10∶4∶1。室温下将冰醋酸加到盛有无水乙醇的烧杯中,再加入钛酸四丁酯,搅拌0.5小时使之混合均匀,得到淡黄色透明溶液;剧烈搅拌下将去离子水以约12滴/分钟的速率缓慢滴加到溶液中,滴加完毕得到均匀透明的溶胶,继续搅拌1小时左右,通过溶剂慢慢挥发得半透明湿凝胶。继续搅拌并用水浴保温,直至反应体系成为一整块不能流动的胶块为止。再在空气中放置、陈化12小时以上;接着置于80℃下烘干,大约20小时,得淡黄色晶体,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表1所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表1.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,材料致密,几乎没有气孔。
(7)将样品加工成直径6mm、高9mm的圆棒,作为压缩实验的样品。室温下在万能材料实验机上进行压缩实验,测量其压缩屈服强度(σsc)。测量结果为σsc=1085MPa
实施例二
(1)采用冰醋酸法制备TiO2凝胶。反应物摩尔比:钛酸四丁酯∶乙醇∶水∶冰醋酸=1∶10∶4∶1。室温下将冰醋酸加到盛有无水乙醇的烧杯中,再加入钛酸四丁酯,搅拌0.5小时使之混合均匀,得到淡黄色透明溶液;剧烈搅拌下将去离子水以约12滴/分钟的速率缓慢滴加到溶液中,滴加完毕得到均匀透明的溶胶,继续搅拌1小时左右,通过溶剂慢慢挥发得半透明湿凝胶。继续搅拌并用水浴保温,直至反应体系成为一整块不能流动的胶块为止。再在空气中放置、陈化12小时以上;接着置于80℃下烘干,大约20小时,得淡黄色晶体,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表2所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表2.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,材料致密,气孔略有增加,但效果并不明显。
(7)将样品加工成直径6mm、高9mm的圆棒,作为压缩实验的样品。室温下在万能材料实验机上进行压缩实验,测量其压缩屈服强度(σsc)。测量结果为σsc=1325MPa
实施例三
(1)采用冰醋酸法制备TiO2凝胶。反应物摩尔比:钛酸四丁酯∶乙醇∶水∶冰醋酸=1∶10∶4∶1。室温下将冰醋酸加到盛有无水乙醇的烧杯中,再加入钛酸四丁酯,搅拌0.5小时使之混合均匀,得到淡黄色透明溶液;剧烈搅拌下将去离子水以约12滴/分钟的速率缓慢滴加到溶液中,滴加完毕得到均匀透明的溶胶,继续搅拌1小时左右,通过溶剂慢慢挥发得半透明湿凝胶。继续搅拌并用水浴保温,直至反应体系成为一整块不能流动的胶块为止。再在空气中放置、陈化12小时以上;接着置于80℃下烘干,大约20小时,得淡黄色晶体,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表3所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表3.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,气孔继续增加。材料成型受到影响。
(7)将样品加工成直径6mm、高9mm的圆棒,作为压缩实验的样品。室温下在万能材料实验机上进行压缩实验,测量其压缩屈服强度(σsc)。测量结果为σsc=412MPa
实施例四
(1)采用冰醋酸法制备TiO2凝胶。反应物摩尔比:钛酸四丁酯∶乙醇∶水∶冰醋酸=1∶10∶4∶1。室温下将冰醋酸加到盛有无水乙醇的烧杯中,再加入钛酸四丁酯,搅拌0.5小时使之混合均匀,得到淡黄色透明溶液;剧烈搅拌下将去离子水以约12滴/分钟的速率缓慢滴加到溶液中,滴加完毕得到均匀透明的溶胶,继续搅拌1小时左右,通过溶剂慢慢挥发得半透明湿凝胶。继续搅拌并用水浴保温,直至反应体系成为一整块不能流动的胶块为止。再在空气中放置、陈化12小时以上;接着置于80℃下烘干,大约20小时,得淡黄色晶体,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表4所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表4.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,气孔数目明显增加。材料成型困难。
实施例五
(1)采用冰醋酸法制备TiO2凝胶。反应物摩尔比:钛酸四丁酯∶乙醇∶水∶冰醋酸=1∶10∶4∶1。室温下将冰醋酸加到盛有无水乙醇的烧杯中,再加入钛酸四丁酯,搅拌0.5小时使之混合均匀,得到淡黄色透明溶液;剧烈搅拌下将去离子水以约12滴/分钟的速率缓慢滴加到溶液中,滴加完毕得到均匀透明的溶胶,继续搅拌1小时左右,通过溶剂慢慢挥发得半透明湿凝胶。继续搅拌并用水浴保温,直至反应体系成为一整块不能流动的胶块为止。再在空气中放置、陈化12小时以上;接着置于80℃下烘干,大约20小时,得淡黄色晶体,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表5所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表5.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,气孔大量分布于材料中。材料难以成型。
小结:从实施例1——实施例5可以看出,随着铝热剂中冰醋酸法制备的TiO2凝胶成分的增加,复合材料的气孔逐渐增加,压缩强度先增加再降低。
实施例六
(1)采用TiCl4水解法制备TiO2凝胶。采用四氯化钛(化学纯)作为前驱体,在冰水浴下强力搅拌,将一定量的TiCl4滴入蒸馏水中.将溶有硫酸铵和浓盐酸的水溶液滴加到所得的四氯化钛水溶液中,搅拌,混合过程中温度控制在15℃以下。将混合物升温至95℃并保温1h后,加入浓氨水,调节pH值为6左右.冷却至室温,陈化12h,过滤,室温条件下将沉淀干燥,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表6所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表6.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,材料致密,几乎没有气孔。
(7)将样品加工成直径6mm、高9mm的圆棒,作为压缩实验的样品。室温下在万能材料实验机上进行压缩实验,测量其压缩屈服强度(σsc)。测量结果为σsc=1053MPa
实施例七
(1)采用TiCl4水解法制备TiO2凝胶。采用四氯化钛(化学纯)作为前驱体,在冰水浴下强力搅拌,将一定量的TiCl4滴入蒸馏水中.将溶有硫酸铵和浓盐酸的水溶液滴加到所得的四氯化钛水溶液中,搅拌,混合过程中温度控制在15℃以下。将混合物升温至95℃并保温1h后,加入浓氨水,调节pH值为6左右.冷却至室温,陈化12h,过滤,室温条件下将沉淀干燥,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表7所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表7.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,材料致密,气孔略有增加,但效果并不明显。
(6)将样品加工成直径6mm、高9mm的圆棒,作为压缩实验的样品。室温下在万能材料实验机上进行压缩实验,测量其压缩屈服强度(σsc)。测量结果为σsc=1308MPa
实施例八
(1)采用TiCl4水解法制备TiO2凝胶。采用四氯化钛(化学纯)作为前驱体,在冰水浴下强力搅拌,将一定量的TiCl4滴入蒸馏水中.将溶有硫酸铵和浓盐酸的水溶液滴加到所得的四氯化钛水溶液中,搅拌,混合过程中温度控制在15℃以下。将混合物升温至95℃并保温1h后,加入浓氨水,调节pH值为6左右.冷却至室温,陈化12h,过滤,室温条件下将沉淀干燥,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表8所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表8.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,气孔继续增加。材料成型受到影响。
(7)将样品加工成直径6mm、高9mm的圆棒,作为压缩实验的样品。室温下在万能材料实验机上进行压缩实验,测量其压缩屈服强度(σsc)。测量结果为σsc=379MPa
实施例九
(1)采用TiCl4水解法制备TiO2凝胶。采用四氯化钛(化学纯)作为前驱体,在冰水浴下强力搅拌,将一定量的TiCl4滴入蒸馏水中.将溶有硫酸铵和浓盐酸的水溶液滴加到所得的四氯化钛水溶液中,搅拌,混合过程中温度控制在15℃以下。将混合物升温至95℃并保温1h后,加入浓氨水,调节pH值为6左右.冷却至室温,陈化12h,过滤,室温条件下将沉淀干燥,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表9所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表9.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,气孔数目明显增加。材料成型困难。
实施例十
(1)采用TiCl4水解法制备TiO2凝胶。采用四氯化钛(化学纯)作为前驱体,在冰水浴下强力搅拌,将一定量的TiCl4滴入蒸馏水中.将溶有硫酸铵和浓盐酸的水溶液滴加到所得的四氯化钛水溶液中,搅拌,混合过程中温度控制在15℃以下。将混合物升温至95℃并保温1h后,加入浓氨水,调节pH值为6左右.冷却至室温,陈化12h,过滤,室温条件下将沉淀干燥,仔细研磨得到白色Ti02凝胶粉末。
(2)按表10所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表10.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,气孔大量分布于材料中。材料难以成型。
小结:从实施例6——实施例10可以看出,随着铝热剂中TiCl4水解法制备的TiO2凝胶成分的增加,复合材料的气孔逐渐增加,压缩强度先增加再降低。
实施例十一
(1)采用硬脂酸法制备TiO2凝胶。反应物摩尔比:钛酸四丁酯∶硬脂酸=1∶1.5。实验时,称取一定量的硬脂酸,溶于钛酸丁酯中,升温至硬脂酸熔解,磁力搅拌2小时到3小时后,形成半透明溶胶,自然冷却形成凝胶后,再在空气中放置、陈化12小时以上;接着置于80℃下烘干,大约20小时,得淡黄色晶体,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表1所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表11.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,材料致密,几乎没有气孔。
(7)将样品加工成直径6mm、高9mm的圆棒,作为压缩实验的样品。室温下在万能材料实验机上进行压缩实验,测量其压缩屈服强度(σsc)。测量结果为σsc=1031MPa
实施例十二
(1)采用硬脂酸法制备TiO2凝胶。反应物摩尔比:钛酸四丁酯∶硬脂酸=1∶1.5。实验时,称取一定量的硬脂酸,溶于钛酸丁酯中,升温至硬脂酸熔解,磁力搅拌2小时到3小时后,形成半透明溶胶,自然冷却形成凝胶后,再在空气中放置、陈化12小时以上;接着置于80℃下烘干,大约20小时,得淡黄色晶体,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表2所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表12.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,材料致密,气孔略有增加,但效果并不明显。
(7)将样品加工成直径6mm、高9mm的圆棒,作为压缩实验的样品。室温下在万能材料实验机上进行压缩实验,测量其压缩屈服强度(σsc)。测量结果为σsc=1265MPa
实施例十三
(1)采用硬脂酸法制备TiO2凝胶。反应物摩尔比:钛酸四丁酯∶硬脂酸=1∶1.5。实验时,称取一定量的硬脂酸,溶于钛酸丁酯中,升温至硬脂酸熔解,磁力搅拌2小时到3小时后,形成半透明溶胶,自然冷却形成凝胶后,再在空气中放置、陈化12小时以上;接着置于80℃下烘干,大约20小时,得淡黄色晶体,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表3所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表13.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,气孔继续增加。材料成型受到影响。
(7)将样品加工成直径6mm、高9mm的圆棒,作为压缩实验的样品。室温下在万能材料实验机上进行压缩实验,测量其压缩屈服强度(σsc)。测量结果为σsc=364MPa
实施例十四
(1)采用硬脂酸法制备TiO2凝胶。反应物摩尔比:钛酸四丁酯∶硬脂酸=1∶1.5。实验时,称取一定量的硬脂酸,溶于钛酸丁酯中,升温至硬脂酸熔解,磁力搅拌2小时到3小时后,形成半透明溶胶,自然冷却形成凝胶后,再在空气中放置、陈化12小时以上;接着置于80℃下烘干,大约20小时,得淡黄色晶体,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表4所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表14.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,气孔数目明显增加。材料成型困难。
实施例十五
(1)采用硬脂酸法制备TiO2凝胶。反应物摩尔比:钛酸四丁酯∶硬脂酸=1∶1.5。实验时,称取一定量的硬脂酸,溶于钛酸丁酯中,升温至硬脂酸熔解,磁力搅拌2小时到3小时后,形成半透明溶胶,自然冷却形成凝胶后,再在空气中放置、陈化12小时以上;接着置于80℃下烘干,大约20小时,得淡黄色晶体,仔细研磨得到白色TiO2凝胶粉末。
(2)按表5所示的成分表配好铝热剂。将铝热剂混合均匀,装入石墨坩埚中,坩埚底部用铝箔密封。坩埚放入干燥箱中,200℃下预热3小时后取出。
表15.实验所用铝热剂的化学成分
(3)置于铜模具上,用钨丝通电点燃铝热剂。高温熔体把铝箔熔穿,注入到预置的铜模具中,制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
(4)运用X射线衍射(X-ray)确定复合材料结构状态。
(5)运用透射电镜(TEM)观察其显微组织。能谱分析仪分析复合材料的成分。
(6)运用电子探针(EPMA)观察其显微组织,气孔大量分布于材料中。材料难以成型。
小结:从实施例11——实施例15可以看出,随着铝热剂中TiCl4水解法制备的TiO2凝胶成分的增加,复合材料的气孔逐渐增加,压缩强度先增加再降低。
应当理解的是,在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的,且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下,可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。
Claims (10)
1.FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料的铝热反应原位合成方法,其特征在于包括:
点燃铝热剂,从而产生处于熔融状态的高温熔体,
把所述高温熔体注入到预置的速冷模具中,从而制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述铝热剂含有二氧化钛凝胶。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述铝热剂由Fe2O3、NiO、Cr2O3、CrO3、Al、TiO2凝胶组成。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于所述铝热剂包含:
31.7-36.6Wt.%的Fe2O3;
7.0-11.9Wt.%的NiO;
3.6-8.5Wt.%的Cr2O3;
8.9-13.8Wt.%的CrO3;
23.8-28.7Wt.%的Al;
0.5-25.0Wt.%的TiO2凝胶。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于进一步包括:
把所述铝热剂装入坩埚中,
把坩埚底部用铝箔密封,
在所述坩埚外部包覆保温材料以防止散热,
将所述坩埚放入干燥箱中,在预定温度下预热预定时间后取出,
把所述坩埚置于所述速冷模具上,
使所述高温熔体把所述铝箔熔穿,
从而使所述高温熔体注入到预置的速冷模具中,从而制得FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
6.根据权利要求3所述的方法,其特征在于所述TiO2凝胶是用如下方法制作的:
室温下将冰醋酸加到盛有无水乙醇的烧杯中,再加入钛酸四丁酯,搅拌使之混合均匀,得到淡黄色透明溶液,
搅拌下将去离子水缓慢滴加到所述淡黄色透明溶液中,滴加完毕得到均匀透明的溶胶,继续搅拌,通过溶剂慢慢挥发得半透明湿凝胶,
继续搅拌并用水浴保温,直至反应体系成为一整块不能流动的胶块为止,
在空气中放置、陈化,
烘干得到淡黄色晶体,
研磨得到TiO2凝胶粉末。
7.根据权利要求3所述的方法,其特征在于所述TiO2凝胶是用如下方法制作的:
将一定量的TiCl4滴入蒸馏水中,
将溶有硫酸铵和浓盐酸的水溶液滴加到所得的四氯化钛水溶液中,并搅拌,
将前一步骤所得的混合物升温至并保温预定时间后,加入浓氨水,调节pH值为6左右,再冷却至室温并陈化、过滤,在室温条件下将沉淀干燥,研磨得到TiO2凝胶粉末。
8.根据权利要求3所述的方法,其特征在于所述TiO2凝胶是用如下方法制作的:
把硬脂酸溶于钛酸丁酯中,
升温至硬脂酸熔解,
磁力搅拌至形成半透明溶胶,
自然冷却形成凝胶,再在空气中放置、陈化;
烘干得到晶体,
研磨得到TiO2凝胶粉末。
9.用根据权利要求1-8中的任何一项所述的方法获得的FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料。
10.FeNiCrTi/NiAl-Al2O3纳米复合材料,其特征在于:
该纳米复合材料由FeNiCrTi基体晶粒、NiAl颗粒、Al2O3颗粒、NiAl-Al2O3混合相区颗粒组成,其中
所述FeNiCrTi基体晶粒是尺寸在约10nm以下的铁素体(α-FeNiCrTi),
所述NiAl颗粒和氧化铝Al2O3颗粒的尺寸在约10纳米以下,
所述NiAl-Al2O3混合相区颗粒均匀弥撒分布在所述FeNiCrTi基体晶粒组成的基体内。
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