CN102424967A - 原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，属于金属间化合物合成和制造技术领域。本发明提出的方法，首先，以能够形成金属间化合物的两种金属粉末及可以与上述金属粉末生成陶瓷化合物的非金属粉末为原料，按原子比混合，进行机械合金化获得固溶体非晶粉末，采用新型冷喷涂成形技术制备涂覆层、块体材料或得到近净成形零件，然后通过热处理获得原位自生纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料。本发明可通过调整粉末成分和热处理工艺，控制原位纳米颗粒的尺寸、体积分数和金属间化合物基体相的晶粒尺寸，陶瓷增强颗粒与金属间化合物基体相容性好，制备工艺简单，生产周期短，成本低廉易于推广应用。

Description

原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于金属间化合物合成和制造技术领域，涉及一种原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法。

 

背景技术

金属间化合物是由两种或两种以上的金属元素或金属元素与类金属元素为主要组元，按照一定的原子比组成的二元或多元中间相化合物。金属间化合物中原子为长程有序排列，原子间金属键与共价键共存，这使其既有金属的某些物理性能又兼具陶瓷的优良性能，如高的弹性模量、熔点、高温强度及优异的抗高温蠕变、氧化性能，而其韧性又高于普通的陶瓷材料，因而，在航空、航天和能源等领域有着广阔的应用前景。但金属间化合物室温脆性大，断裂抗力低，恶化了其综合性能，同时，也给金属间化合物零件的加工制造造成了障碍。金属间化合物晶粒尺寸的减小有助于提高它的室温塑性，此外，在金属间化合物基体中加入连续或非连续的增强相，如TiC、Al₂O₃、TiB2等陶瓷颗粒或W、Mo、Nb等难熔金属，制备出的金属间化合物基复合材料（IMCs），在一定程度上也可以改善金属间化合物的室温脆性，提高其断裂抗力。研究表明，IMCS的性能受增强体的尺寸、分布、体积分数以及增强体和基体界面的本质特征所控制，采用原位合成的方法，在金属间化合基体内反应生成尺寸细小、体积分数高且热力学稳定的陶瓷增强体时，金属间化合基复合材料将能能够获得优异的综合性能。

目前，制备原位陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的方法主要有原位热压反应合成法、自蔓延高温合成法、放热弥散法、反应自发浸渗法等。原位热压反应合成法的优点是材料的致密度高，但其所制备的复合材料的种类有限，而且工艺复杂，成本较高。自蔓延高温合成法生产率高、成本低，但过高的反应热使材料具有较大的气孔率，材料成形差且制备过程难以控制。放热弥散法的优点是增强相种类多，体积百分比可以通过控制增强相组分物料的比例和含量加以控制，但制备的产品中存在较大孔隙度，需要采用在反应过程直接压实以提高致密度。反应自发浸渗法强化相种类较多，能够制备大体积分数增强体，可近终成形等，但要求压坯的材质能够在金属或合金中湿润且具有高温热力学稳定性，且很难制备大尺寸或厚壁件，从而限制了其应用领域。总之，现有方法在提高和改善金属间化合物某一方面性能的同时，往往使其他性能降低，难以使金属间化合物获得优异的综合使用性能，制备原位金属间化合物基复合材料，现有方法有很大的局限性。因此，提出一种工艺简单、快捷，成本低廉的原位陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备技术很有必要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、可靠，且易于推广应用的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，以解决现有金属间化合物制备方法中存在的工艺和性能方面的问题，基于金属间化合物基体相和陶瓷增强相双相原位合成的原理，采用冷喷涂成形技术和热处理复合工艺，制备出原位纳米陶瓷颗粒增强Ti-Al金属间化合物基复合材料结构零件。

本发明为了实现上述目的而采取的技术方案为：

一种原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

采用Ti粉、Al粉和能与Ti形成陶瓷化合物的元素M粉为原料，将以上粉末按原子百分比25～75at.%的Ti、15～55at.%的Al和5～25at.%的M粉进行配比混合。

将上述混合粉末在惰性气氛、低温或真空下进行机械合金化制备Ti(Al，M)固溶体非晶粉末；

在平板状基体或零件表面进行喷砂粗化处理；

采用冷喷涂在上述基体或零件表面上喷涂步骤(2)准备的粉末，送粉量20～60g/min，获得厚度100μm～30mm的涂覆层或按照需要的形状获得近净成形零件；

对步骤(4)获得的涂覆层在真空或惰性气体环境下进行热处理，温度650～950℃，时间1～5小时，获得原位纳米陶瓷颗粒增强Ti-Al金属间化合物基复合材料；

基体需要剥离时，应将基体在步骤(5)的热处理之前进行剥离。

本发明的其他特点是：

所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，其特征在于，陶瓷颗粒增强体和金属间化合物基体均为原位反应产生。

所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，粉末M可以是Si、C、B等非金属中的一种或两种。

所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，机械合金化粉末为固溶体非晶粉末；

所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，所述的机械合金化粉末经分筛获得粒度5μm～45μm的粉末，作为喷涂原料粉末。

所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，原位自生陶瓷颗粒增强体尺寸在200nm～5μm之间可控。

所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，金属间化合物基体相可以是Ti-Al金属间化合物中的一种或两种。

所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，在低于金属间化合物纳米晶粒显著长大的温度下，所制备的金属间化合物基复合材料中金属间化合物基体具有纳米结构特征。

所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，制备近净成形零件时可不用对基体喷砂直接沉积涂覆层。

所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，在制备块材时应将基体在步骤(6)的热处理之前进行剥离；

本发明与现有技术相比具有以下特点：

本发明提出的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，可以通过调节原料成分、冷喷涂工艺以及热处理温度和时间等多种工艺参数来控制原位纳米颗粒增强体的尺寸及体积分数，金属间化合物基体相的晶粒尺寸，增强颗粒原位生成，表面洁净，与基体结合好，工艺简单，生产周期短，成本低廉易于推广应用。

附图说明

图1本发明的工艺流程图。

具体实施方式

以下依照本发明的技术方案作出具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于这些实例。

实施例1： 

选取粒度125μm 的Ti粉、30μm 的Al粉和10μm 的化学纯Si粉，按照摩尔比65:20:15配比，原始粉末形貌如图2所示。在行星式球磨机中进行机械合金化，球料比为10∶1，转速180rpm，球磨30h后取出粉末，分筛获得粒度15μm左右的Ti(Al,Si)固溶体非晶粉末，其表面形貌如图3所示。冷喷涂沉积涂覆层，基体为40mm×25mm×3mm铝合金，喷涂前对基体表面采用100目棕刚玉喷砂处理，喷涂气体为N₂气，其中，加速气体压力1.8MPa，送粉气压力2.0MPa，喷涂温度550℃，送粉率45g/min，喷涂距离20mm，喷枪移动速度30mm/s，涂覆层厚度约20mm左右，其组织如图4（a）所示。喷涂后剥离基体，在真空炉中进行热处理，真空度2×10^-2Pa，以15℃/s的速率升至950℃，保温2小时，随炉冷却至室温，获得原位纳米Ti₅Si₃陶瓷增强Ti₃Al金属间化合物基复合材料，其组织如图4（b）所示，可以看到，在灰色的Ti₃Al基体上分布着黑色的纳米Ti₅Si₃陶瓷颗粒，复合材料相结构如图（5）所示。

实施例2： 

选取粒度65μm 的Ti粉、45μm 的Al粉和35μm 的化学纯Si粉，按照摩尔比按照摩尔比52:28:20配比，在行星式球磨机中进行机械合金化，球料比为20∶1，转速200 rpm，球磨20h后取出粉末，分筛获得粒度20μm左右的Ti(Al,Si)固溶体非晶粉末。冷喷涂沉积涂覆层，基体为40mm×25mm×3mm低碳钢，喷涂前对基体表面采用100目棕刚玉喷砂处理，喷涂气体为N₂气，其中，加速气体压力2.5MPa，送粉气压力2.7MPa，喷涂温度450℃，送粉率70g/min左右，喷涂距离20mm，喷枪移动速度30mm/s，涂覆层厚度30mm。喷涂后剥离基体，在流动氩气保护的管式炉中进行热处理，以20℃/s的速率升至750℃，保温5小时，随炉冷却至室温，获得原位纳米Ti₅Si₃陶瓷颗粒增强TiAl金属间化合物基复合材料。

实施例3：

选取粒度25μm 的Ti粉、10μm 的Al粉和5μm 的化学纯C粉，按照摩尔比按照摩尔比55:27:18配比，在行星式球磨机中进行机械合金化，球料比为10∶1，转速220 rpm，球磨36h后取出粉末，分筛获得粒度25μm左右的Ti(Al,Si)固溶体非晶粉末。冷喷涂沉积涂覆层，基体为40mm×25mm×3mm钛合金板，喷涂前对基体表面采用150目棕刚玉喷砂处理，喷涂气体为He气，其中，加速气体压力2.0MPa，送粉气压力2.2MPa，喷涂温度550℃，送粉率50g/min左右，喷涂距离20mm，喷枪移动速度30mm/s，涂覆层厚度10mm。在流动氩气保护的管式炉中进行热处理，以20℃/s的速率升至900℃，保温2小时，随炉冷却至室温，获得原位纳米TiC陶瓷颗粒增强TiAl金属间化合物基复合材料。

实施例4：

选取粒度85μm 的Ti粉、45μm 的Al粉和10μm 的化学纯Si粉，按照摩尔比按照摩尔比62:28:10配比，在行星式球磨机中进行机械合金化，球料比为15∶1，转速180 rpm，球磨30h后取出粉末，分筛获得粒度20μm左右的Ti(Al,Si)固溶体非晶粉末。冷喷涂沉积涂覆层，基体为f40mm钛合金圆棒料，喷涂前对基体表面采用24目棕刚玉喷砂处理，喷涂气体为He气，其中，加速气体压力1.0MPa，送粉气压力1.2MPa，喷涂温度350℃，送粉率70g/min左右，喷涂距离20mm，喷枪移动速度10mm/s，涂覆层厚度300μm。在流动氩气保护的管式炉中进行热处理，以10℃/s的速率升至850℃，保温5小时，随炉冷却至室温，获得原位纳米Ti₅Si₃陶瓷颗粒增强TiAl/Ti₃Al复合金属间化合物基复合材料。

实施例5：

选取粒度35μm 的Ti粉、25μm 的Al粉、10μm 的化学纯Si和C粉，按照摩尔比按照摩尔比55:25:12:8配比，在行星式球磨机中进行机械合金化，球料比为20∶1，转速200 rpm，球磨40h后取出粉末，分筛获得粒度10μm左右的Ti(Al,Si,C)固溶体非晶粉末。冷喷涂沉积涂覆层，基体为40mm×25mm×3mm钛合金板，喷涂前对基体表面采用150目棕刚玉喷砂处理，喷涂气体为N₂气，其中，加速气体压力2.2MPa，送粉气压力2.4MPa，喷涂温度450℃，送粉率50g/min，喷涂距离20mm，喷枪移动速度15mm/s，涂覆层厚度约20mm左右。喷涂后剥离基体，在真空炉中进行热处理，真空度5×10^-3Pa，以25℃/s的速率升至950℃，保温1小时，随炉冷却至室温，获得原位纳米Ti₅Si_3-和TiC陶瓷颗粒混杂增强TiAl金属间化合物基复合材料。

Claims (10)

1.一种原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

采用Ti粉、Al粉和能与Ti形成陶瓷化合物的元素M粉为原料，将以上粉末按原子百分比25～75at.%的Ti、15～55at.%的Al和5～25at.%的M粉进行配比混合；

将上述混合粉末在惰性气氛、低温或真空下进行机械合金化制备Ti(Al，M)固溶体非晶粉末；

在平板状或棒状基体表面进行喷砂粗化处理；

采用冷喷涂在上述基体或零件表面上喷涂步骤(2)准备的粉末，送粉量20～60g/min，获得厚度100μm～30mm的涂覆层或按照需要的形状获得近净成形零件；

对步骤(4)获得的涂覆层在真空或惰性气体环境下进行热处理，温度650～950℃，时间1～5小时，获得原位纳米陶瓷颗粒增强Ti-Al金属间化合物基复合材料。

2.根据权利要求1所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，其特征在于，陶瓷颗粒增强体和金属间化合物基体均为原位反应产生。

3.根据权利要求1所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，其特征在于，粉末M为Si、C、B等非金属中的一种或两种。

4.根据权利要求1所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，其特征在于，机械合金化的粉末为固溶体非晶粉末。

5.根据权利要求1所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的机械合金化粉末经分筛获得粒度5μm～45μm的粉末，作为喷涂原料粉末。

6.根据权利要求1所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，其特征在于，原位自生陶瓷颗粒增强体尺寸在200nm～5μm之间可控。

7.根据权利要求1所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，其特征在于，金属间化合物基体相为Ti-Al金属间化合物中的一种或两种。

8.根据权利要求1所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，其特征在于，在低于金属间化合物纳米晶粒显著长大的温度下，所制备的金属间化合物基复合材料中金属间化合物基体具有纳米结构特征。

9.根据权利要求1所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，制备近净成形零件时不用对基体喷砂直接沉积涂覆层。

10.根据权利要求1所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，其特征在于，在制备块材时应将基体在步骤(6)的热处理之前进行剥离。