CN102776431B - 一种铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料，是以TiN、铁粉、铝粉为原料，通过机械合金化工艺制备Fe3Al合金粉末材料，然后与TiN细粉球磨混料制粉，在保护气氛下或在真空条件下热压烧结成型制成；其中所述复合材料各组分的质量百分比为：TiN 5-15%，Fe3Al金属间化合物85-95%。本发明利用氮化钛陶瓷材料高强度、高硬度的特点来弥补金属间化合物高温性能的不足，生产出了一种性能价格比合理、性能优良、先进实用的金属间化合物复合材料，开辟了金属间化合物复合材料更广泛的用途。
Description
技术领域
本发明属于复合材料科学领域，特别涉及一种以铁三铝金属间化合物为基体，氮化钛陶瓷为增强体的复合材料，即铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术
Fe3Al基金属间化合物具有良好的高温强度,优异的抗氧化耐腐蚀性,较小的比重和低廉的成本等优点,有望作为一种新型的高温结构材料而受到广泛重视,然而室温环境下的脆性和温度超过600℃时强度急剧下降阻碍了其实际应用。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Cr,Mo,Nb,W等合金元素以及用合适的热机械处理工艺使Fe3Al合金的室温塑性和高温强度得到明显改善。此外,通过合成陶瓷增强颗粒可以弥补合金的高温强度低的不足,用反应铸造法制备了含VC,TiC颗粒的Fe3Al基合金。合金化和陶瓷相的加入在一定程度上改善Fe3Al合金的综合性能，即使如此，在某些苛刻条件应用仍是现有的材料组成无法满足的。专利号为200910116604.1的中国专利“铁三铝金属间化合物-二硼化钛复合材料及制备方法”公开了一种主要成分为Fe3Al、TiB2的金属间化合物基复合材料，硬度、抗弯强度和断裂韧性均有提高，但提高的幅度较小。因此，开发性能更好的复合材料以适应更广泛的用途非常迫切。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高强度、高韧性的铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料及其制备方法。
本发明所述铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料，由Fe3Al金属间化合物与氮化钛制成，其特征是：所述复合材料各组分的质量百分比（wt%）为：TiN 5-15%，Fe3Al金属间化合物85-95%；其中，Fe3Al金属间化合物中各组分原子百分比是：铝25～30%，余量为铁。
上述的铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料中：所述复合材料各组分的质量百分比（wt%）优选为：TiN 7-12%，Fe3Al金属间化合物88-93%；其中，Fe3Al金属间化合物中各组分原子百分比是：铝25～28%，余量为铁。
本发明所述铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料的制备方法，步骤是：
（1）将铁粉和铝粉按原子百分比为铝25～30%、余量为铁的比例配料，利用球磨过程进行机械合金化，形成主晶相为Fe3Al的金属间化合物；
（2）将Fe3Al金属间化合物与TiN细粉按质量百分比为TiN 5-15%，Fe3Al金属间化合物为85-95%的比例配料，然后一起球磨制粉；
（3）把球磨后粉体材料装入石墨模具中，在真空中或用氩气作保护气体，以放电等离子体法在850～900℃，压力为30～40MPa条件下热压烧结，获得铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料。
上述铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料的制备方法中：所述热压烧结温度优选是870℃，压力优选35MPa。
本发明所述铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料还可以按如下方式制备，步骤是：
（1）将铁粉和铝粉按原子百分比为铝25～30%，余量为铁的比例配料，再按质量百分比为TiN 85-95%、Fe3Al金属间化合物为5-15%的比例配料，然后一起球磨制粉；
（2）把球磨后粉体材料装入石墨模具中，在真空中或用氩气作保护气体，以放电等离子体法在850～900℃，压力为30～40MPa条件下热压烧结，得铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料。
本发明公开的铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷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，改善铁三铝金属间化合物的综合性能，硬度可以提高30%，抗弯强度可以提高50%。
本发明利用氮化钛陶瓷的高硬度、高强度优异的特点来弥补金属间化合物材料的强度不足，生产出了一种性能价格比合理、性能优良、先进实用的铁三铝金属间化合物复合材料，开辟了金属间化合物复合材料更广泛的用途。
具体实施方式
实施例1：制备各组分的质量百分比（wt%）为：TiN 5%，Fe3Al金属间化合物95%的铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料
首先，将铁粉13.1千克、铝粉81.9千克于球磨机中球磨50小时，然后加入TiN粉5千克，混合2小时，经真空干燥后用100目筛筛选。装入石墨模具中压实，然后连同模具一起移入放电等离子体烧结（SPS）设备中，升温至850℃，采用30MPa的压力，保温20min。烧结后的坯件随炉冷却至室温出炉，脱模，得到组分质量百分比（wt%）为：TiN 5%，Fe3Al金属间化合物95%的铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料。
经测试，上述制得的TiN-Fe3Al复合材料硬度为80（HRC），抗弯强度为900MPa。
实施例2：制备各组分的质量百分比（wt%）为：TiN 10%，Fe3Al金属间化合物90%的铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料
首先，将铁粉74.6千克、铝粉15.4千克于球磨机中球磨40小时，然后加入TiN粉10千克，混合4小时，经真空干燥后用100目筛筛选。装入石墨模具中压实，然后连同模具一起移入放电等离子体烧结（SPS）设备中，升温至870℃，采用35MPa的压力，保温15min。烧结后的坯件随炉冷却至室温出炉，脱模，得到组分质量百分比（wt%）为：TiN 10%，Fe3Al金属间化合物90%的铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料。
经测试，上述制得的TiN-Fe3Al复合材料硬度为85（HRC），抗弯强度为970MPa。
实施例3：制备铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料
将铁粉71.6千克、铝粉13.4千克和TiN粉15千克同时加入球磨机中球磨70小时，经真空干燥后用100目筛筛选。装入石墨模具中压实，然后连同模具一起移入放电等离子体烧结（SPS）设备中，升温至900℃，采用40MPa的压力，保温10min。烧结后的坯件随炉冷却至室温出炉，脱模，得到铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料。
经测试，上述制得的TiN-Fe3Al复合材料得硬度为91（HRC），抗弯强度为1000MPa。
Claims (1)
1.一种铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料的制备方法，该铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料由Fe3Al金属间化合物与氮化钛制成，所述复合材料各组分的质量百分比为：TiN 5-15%，Fe3Al金属间化合物85-95%；其中，Fe3Al金属间化合物中各组分原子百分比是：铝25～30%，余量为铁；该铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料制备步骤是：
（1）将铁粉和铝粉按原子百分比为铝25～30%、余量为铁的比例配料，利用球磨过程进行机械合金化，形成主晶相为Fe3Al的金属间化合物；
（2）将Fe3Al金属间化合物与TiN细粉按质量百分比为TiN 5-15%，Fe3Al金属间化合物为85-95%的比例配料，然后一起球磨制粉；
（3）把球磨后粉体材料装入石墨模具中，在真空中或用氩气作保护气体，以放电等离子体法在850～900℃，压力为30～40MPa条件下热压烧结，获得铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料。
2.如权利要求1所述铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料的制备方法，其特征是：所述热压烧结温度是870℃，压力是35MPa。
3. 一种铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料的制备方法，步骤是：
（1）将铁粉和铝粉按原子百分比为铝25～30%，余量为铁的比例配料，再按质量百分比为TiN 85-95%、Fe3Al金属间化合物为5-15%的比例配料，然后一起球磨制粉；
（2）把球磨后粉体材料装入石墨模具中，在真空中或用氩气作保护气体，以放电等离子体法在850～900℃，压力为30～40MPa条件下热压烧结，得铁三铝金属间化合物-氮化钛陶瓷复合材料。
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