CN104057667A - 一种TiAl/Ti3SiC2复合板材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种TiAl/Ti₃SiC₂复合板材及其制备方法，属于复合材料制备领域。该TiAl/Ti₃SiC₂复合板材包括TiAl基合金层和Ti₃SiC₂陶瓷层；将Ti₃SiC₂陶瓷的原料素坯和TiAl基合金的原料素坯叠放在一起，叠放层数不小于两层；得到的层状坯料进行真空热压烧结，烧结温度为1400～1600℃，烧结压力为20～30MPa，烧结1～3小时，即得到一种TiAl/Ti₃SiC₂复合板材。本发明可以一次性完成TiAl/Ti₃SiC₂复合板材的制备，生产工艺简单易行，制备成本低。制备过程无污染，复合板材的界面结合良好，可以调整TiAl层和/Ti₃SiC₂层的交替叠层数目。

Description

一种TiAl/Ti3SiC2复合板材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种TiAl/Ti₃SiC₂复合板材及其制备方法，属于复合材料制备领域。

背景技术

Ti3SiC2兼有金属与陶瓷的诸多优点，是一种优良的高温结构陶瓷材料。但是，在常温下由于其硬度低、脆性大以及较低的抗蠕变强度严重阻碍了其应用，制备成层状复合材料是克服以上缺陷的有效途径。TiAl基合金由于其高的比强度、比刚度、高的屈服强度和蠕变强度，以及较好的抗氧化性能，常被用作陶瓷复合材料的强化相。更重要的是，TiAl基合金的热膨胀系数与Ti3SiC2接近，同时TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷的应力相容性好，可以用来强化Ti3SiC2的高温性能。但是现有的TiAl基强化Ti3SiC2主要采用弥散强化的方法，即，通过将TiAl基合金粉体与Ti3SiC2·陶瓷粉体充分混合，使得TiAl基合金颗粒成为第二相分散在Ti3SiC2基体中，但存在着第二相颗粒分布不均，界面结合差等问题。本发明提出了采用预铺粉体法制备TiAl/Ti3SiC2层状复合板的方法，是一种前景广阔，简单可行的制备技术。现有的金属陶瓷层状复合材料制备方法主要有电泳沉积法、轧膜成型法、流延成型法、注浆成型、包套轧制法及元素粉体法等。其中电泳沉积法工艺复杂，制备效率低，通常只能制备厚度在微米级的层状材料。轧膜成型是一种非常成熟的薄坯成型工艺。轧膜工艺通常用来轧制1mm以下的坯片，最常见的为0.15mm左右。由于轧辊的工作方式，使坯料只在厚度方向和前进方向受到辗压，在宽度方向缺乏足够的压力，使有机物分子和粉料都具有一定的定向作用。流延成型(Tape casting)是薄片陶瓷材 料的一种重要成型方法，该工艺适合成型0.2mm～3mm厚度的片状陶瓷制品。注浆成型同流延法成型相类似，也是一种流态成型的方法，成型前通过调节浓度、pH值，来调节粘度，使浆料充分流动，所不同的是它无须有机粘合剂，并一步可成。包套轧制法将用于复合的材料板复合面抛光，然后将材料用包覆材料进行包套处理，在一定的轧制温度和轧制道次下制得层状复合材料。元素粉体法是将复合材料反应所需的元素粉体按照预设要求层叠铺设，之后在一定的温度进行烧制，复合材料在烧结过程中通过元素粉体的反应制得。

目前主流的层状复合材料制备方法为包套轧制法和元素粉体法。例如：孔凡涛等人(200510009906.0)利用包套轧制法制得TiAl-Ti层状复合板材；徐磊等人(200510046728.9)利用包套轧制法制得Ti-TiAl3层状复合板材；陈玉勇等人(200710071714.1)利用元素粉体法制备TiAl复合板材等等。目前层状复合材料的制备集中在金属间化合物复合板材领域，关于TiAl/Ti3SiC2这一类金属陶瓷层状复合材料的制备方法尚属空白，本发明提出了一种采用预铺粉体法制备TiAl/Ti3SiC2复合板材的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用预铺粉体法制备TiAl/Ti₃SiC₂复合板材的方法。本发明制备的由Ti₃SiC₂陶瓷层和TiAl基合金层交替叠层连接而成的层状复合材料，并利用热压烧结达到良好的界面结合。

一种TiAl/Ti₃SiC₂复合板材，该TiAl/Ti₃SiC₂复合板材包括TiAl基合金层和Ti₃SiC₂陶瓷层。TiAl基合金层的成分为Ti和Al，其中Ti的摩尔百分含量为50％～60％，Al的摩尔百分含量为40％～50％。Ti₃SiC₂陶瓷层的成分为Ti、Si与C，其中Ti的摩尔百分含量为40％～60％，Si的摩尔百分含量为10％～20％，C的摩尔百分含量为30％～40％。

所述的TiAl/Ti₃SiC₂复合板材中TiAl基合金层和Ti₃SiC₂陶瓷层的叠放总层数不少于两层。

所述的TiAl基合金层和Ti₃SiC₂陶瓷层为等厚或不等厚叠放。

一种TiAl/Ti₃SiC₂复合板材的制备方法，具体步骤如下：

(1)将Ti粉、Si粉、C粉按照上述比例混合并干燥，将干燥后的粉体置于模具中压坯，得到Ti₃SiC₂陶瓷的原料素坯。

(2)将Ti粉和Al粉按照上述比例混合并干燥，将干燥后的粉体置于模具中压坯，得到TiAl基合金的原料素坯。

(3)将Ti₃SiC₂陶瓷的原料素坯和TiAl基合金的原料素坯叠放在一起，叠放层数不小于两层。

(4)将步骤(3)得到的层状坯料进行真空热压烧结，烧结温度为1400～1600℃，烧结压力为20～30MPa，烧结1～3小时，即得到一种TiAl/Ti₃SiC₂复合板材。

本发明的有益效果是：

1.采用本发明可以一次性完成TiAl/Ti₃SiC₂复合板材的制备，Ti₃SiC₂陶瓷和TiAl基合金中杂质少、致密、性能分布均匀，生产工艺简单易行，制备成本低。

2.本发明的TiAl/Ti₃SiC₂复合板材由于TiAl基合金和Ti₃SiC₂陶瓷间具有相近的热膨胀系数和烧结温度，在烧结后的冷却过程中不会发生开裂，在界面处具有良好的扩散结果能力，可以在相同的烧结温度下经烧结而致密化，使得采用烧结法制备TiAl/Ti₃SiC₂复合板材成为可能。

3.本发明制备过程无污染，复合板材的界面结合良好。

4.本发明的制备方法可以制备相对较大尺寸的TiAl/Ti₃SiC₂复合板材。

5.本发明TiAl/Ti₃SiC₂复合板材的厚度可以根据性能要求，方便的通过调整TiAl基合金层和/Ti₃SiC₂陶瓷层的交替叠层数目及元素粉体的用量来调整。

附图说明

图1为制备所得TiAl/Ti₃SiC₂等厚单次叠层复合板材结构示意图。

图2为制备所得TiAl/Ti₃SiC₂等厚双次叠层复合板材结构示意图。

图3为制备所得TiAl/Ti₃SiC₂不等厚单次叠层复合板材结构示意图。

图4为制备所得TiAl/Ti₃SiC₂不等厚双次叠层复合板材结构示意图。

图中：1.TiAl基合金层；2.Ti₃SiC₂陶瓷层。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例1

Ti₃SiC₂陶瓷原料粉体的成分为Ti、Si和C粉，其中Ti的摩尔百分含量为50％，Si的摩尔百分含量为17％，C的摩尔百分含量为33％。将称量后的粉体与适量的无水乙醇混合，之后将混合物放置于电磁搅拌设备上进行电磁搅拌。搅拌时间不少于24小时。充分搅拌后，将混合物放入烘干箱中，在75℃下进行干燥，干燥时间为24小时。待粉体完全干燥后，取出放入Φ60mm的石墨模具中，利用压片机在5MPa的压力下，保压10分钟，对粉体进行压实处理，得到Ti₃SiC₂陶瓷的原料素坯。TiAl原料粉体的成分为Ti粉和Al粉，其中Ti的摩尔百分含量51％，Al的摩尔百分含量49％。将称量好后的粉体与适量的无水乙醇混合，之后将混合物放入不锈钢球磨罐中球磨，球为不锈钢材质，球料比为3:1，转速为400r/min，球磨时间为16h。球磨后，取出球磨粉料，将粉料放入烘干箱中，在80℃下进行干燥，干燥时间为20h。待粉体完全干燥后，取出放入Φ60mm的石墨模具中，利用压片机在5MPa的压力下，保压10分钟，对粉体进行压实处理，得到TiAl基合金的原料素坯。TiAl基合金的原料素坯与Ti₃SiC₂陶瓷原料素坯体积比为1：1，将所述Ti₃SiC₂陶瓷原料素坯和所述TiAl基合金原料素坯根据需要叠放在一起，之后再次利用压片机在10MPa的压力下，保压10分钟将模具内粉体压实。将层状粉体坯体放入热压烧结设备中，以5℃/min的升温速度升温，在氩气保护下以1500℃，30MPa的压力烧结1小时即可。降温方式采用随炉冷却。

其中Ti₃SiC₂陶瓷是在烧结过程中通过以下反应获得：

3Ti+Si+2C＝Ti₃SiC₂

其中TiAl基合金在烧结过程中通过以下反应获得：

6Ti+6Al＝4Ti+2TiAl₃

4Ti+2TiAl₃＝Ti₃Al+TiAl+2TiAl₂

Ti₃Al+TiAl+2TiAl₂＝6TiAl

本实施例制备出如附图1中所示的TiAl/Ti₃SiC₂等厚单次叠层复合板材。

实施例2

(1)Ti₃SiC₂陶瓷原料粉体的成分为Ti、Si和C粉，其中Ti的摩尔百分含量为50％，Si的摩尔百分含量为17％，C的摩尔百分含量为33％。将称量后的粉体与适量的无水乙醇混合，之后将混合物放置于电磁搅拌设备上进行电磁搅拌。搅拌时间不少于24小时。充分搅拌后，将混合物放入烘干箱中，在75℃下进行干燥，干燥时间为24小时。待粉体完全干燥后，取出放入Φ60mm的石墨模具中，利用压片机在5MPa的压力下，保压10分钟，对粉体进行压实处理，得到Ti₃SiC₂陶瓷的原料素坯。(2)TiAl原料粉体的成分为Ti粉和Al粉，其中Ti的摩尔百分含量为51％，Al的摩尔百分含量为49％。将称量好后的粉体与适量的无水乙醇混合，之后将混合物放入不锈钢球磨罐中球磨，球为不锈钢材质，球料比为3:1，转速为400r/min，球磨时间为16h。球磨后，取出球磨粉料，将粉料放入烘干箱中，在80℃下进行干燥，干燥时间为20h。待粉体完全干燥后，取出放入Φ60mm的石墨模具中，利用压片机在5MPa的压力下，保压10分钟，对粉体进行压实处理，得到TiAl基合金的原料素坯。TiAl基合金的原料素坯与Ti₃SiC₂陶瓷原料素坯体积比为1：1，将所述Ti₃SiC₂陶瓷原料素坯和所述TiAl基合金原料素坯根据需要叠放在一起，之后再次利用压片机在10MPa的压力下，保压10分钟将模具内粉体压实。在此基础上，将步骤(1)与(2)再次进行。将层状粉体坯体放入热压烧结设备中，以5℃/min的升温速度升温，在氩气保护下以1500℃，30Mpa的压力烧结1.5小时即可。降温方式采用随炉冷却。

其中Ti₃SiC₂陶瓷是在烧结过程中通过以下反应获得：

3Ti+Si+2C＝Ti₃SiC₂

其中TiAl基合金在烧结过程中通过以下反应获得：

6Ti+6Al＝4Ti+2TiAl₃

4Ti+2TiAl₃＝Ti₃Al+TiAl+2TiAl₂

Ti₃Al+TiAl+2TiAl₂＝6TiAl

本实施例制备出如附图2中所示的TiAl/Ti₃SiC₂等厚双次叠层复合板材。

实施例3

Ti₃SiC₂陶瓷原料粉体的成分为Ti、Si和C粉，其中Ti的摩尔百分含量为50％，Si的摩尔百分含量为17％，C的摩尔百分含量为33％。将称量后的粉体与适量的无水乙醇混合，之后将混合物放置于电磁搅拌设备上进行电磁搅拌。搅拌时间不少于24小时。充分搅拌后，将混合物放入烘干箱中，在75℃下进行干燥，干燥时间为24小时。待粉体完全干燥后，取出放入Φ60mm的石墨模具中，利用压片机在5MPa的压力下，保压10分钟，对粉体进行压实处理，得到Ti₃SiC₂陶瓷的原料素坯。TiAl原料粉体的成分为Ti粉和Al粉，其中Ti的摩尔百分含量为51％，Al的摩尔百分含量为49％。将称量好后的粉体与适量的无水乙醇混合，之后将混合物放入不锈钢球磨罐中球磨，球为不锈钢材质，球料比为3:1，转速为400r/min，球磨时间为16h。球磨后，取出球磨粉料，将粉料放入烘干箱中，在80℃下进行干燥，干燥时间为20h。待粉体完全干燥后，取出放入Φ60mm的石墨模具中，利用压片机在5MPa的压力下，保压10分钟，对粉体进行压实处理，得到TiAl基合金的原料素坯。TiAl基合金的原料素坯与Ti₃SiC₂陶瓷原料素坯体积比为2：1，将所述Ti₃SiC₂陶瓷原料素坯和所述TiAl基合金原料素坯根据需要叠放在一起，之后再次利用压片机在10MPa的压力下，保压10分钟将模具内粉体压实。将层状粉体坯体放入热压烧结设备中，以5℃/min的升温速度升温，在氩气保护下以1500℃，30MPa的压力烧结1小时即可。降温方式采用随炉冷却。

其中Ti₃SiC₂陶瓷是在烧结过程中通过以下反应获得：

3Ti+Si+2C＝Ti₃SiC₂

其中TiAl基合金在烧结过程中通过以下反应获得：

6Ti+6Al＝4Ti+2TiAl₃

4Ti+2TiAl₃＝Ti₃Al+TiAl+2TiAl₂

Ti₃Al+TiAl+2TiAl₂＝6TiAl

本实施例制备出如附图3中所示的TiAl/Ti₃SiC₂不等厚单次叠层复合板材。

实施例4

1)Ti₃SiC₂陶瓷原料粉体的成分为Ti、Si和C粉，其中Ti的摩尔百分含量为50％，Si的摩尔百分含量为17％，C的摩尔百分含量为33％。将称量后的粉体与适量的无水乙醇混合，之后将混合物放置于电磁搅拌设备上进行电磁搅拌。搅拌时间不少于24小时。充分搅拌后，将混合物放入烘干箱中，在75℃下进行干燥，干燥时间为24小时。待粉体完全干燥后，取出放入Φ60mm的石墨模具中，利用压片机在5MPa的压力下，保压10分钟，对粉体进行压实处理，得到Ti₃SiC₂陶瓷的原料素坯。(2)TiAl原料粉体的成分为Ti粉和Al粉，其中Ti的摩尔百分含量为51％，Al的摩尔百分含量为49％。将称量好后的粉体与适量的无水乙醇混合，之后将混合物放入不锈钢球磨罐中球磨，球为不锈钢材质，球料比为3:1，转速为400r/min，球磨时间为16h。球磨后，取出球磨粉料，将粉料放入烘干箱中，在80℃下进行干燥，干燥时间为20h。待粉体完全干燥后，取出放入Φ60mm的石墨模具中，利用压片机在5MPa的压力下，保压10分钟，对粉体进行压实处理，得到TiAl基合金的原料素坯。TiAl基合金的原料素坯与Ti₃SiC₂陶瓷原料素坯体积比为2：1，将所述Ti₃SiC₂陶瓷原料素坯和所述TiAl基合金原料素坯根据需要叠放在一起，之后再次利用压片机在10MPa的压力下，保压10分钟将模具内粉体压实。在此基础上，将步骤(1)与(2)再次进行。将层状粉体坯体放入热压烧结设备中，以5℃/min的升温速度升温，在氩气保护下以1500℃，30Mpa的压力烧结1.5小时即可。降温方式采用随炉冷却。

其中Ti₃SiC₂陶瓷是在烧结过程中通过以下反应获得：

3Ti+Si+2C＝Ti₃SiC₂

其中TiAl基合金在烧结过程中通过以下反应获得：

6Ti+6Al＝4Ti+2TiAl₃

4Ti+2TiAl₃＝Ti₃Al+TiAl+2TiAl₂

Ti₃Al+TiAl+2TiAl₂＝6TiAl

本实施例制备出如附图4中所示的TiAl/Ti₃SiC₂不等厚双次叠层复合板材。

Claims (5)

1.一种TiAl/Ti₃SiC₂复合板材，其特征在于，该TiAl/Ti₃SiC₂复合板材包括TiAl基合金层和Ti₃SiC₂陶瓷层；TiAl基合金层的成分为Ti和Al，其中Ti的摩尔百分含量为50％～60％，Al的摩尔百分含量为40％～50％；Ti₃SiC₂陶瓷层的成分为Ti、Si和C，其中Ti的摩尔百分含量为40％～60％，Si的摩尔百分含量为10％～20％，C的摩尔百分含量为30％～40％。

2.根据权利要求1所述的TiAl/Ti₃SiC₂复合板材，其特征在于，所述的TiAl/Ti₃SiC₂复合板材中TiAl基合金层和Ti₃SiC₂陶瓷层的叠放总层数不少于两层。

3.根据权利要求1或2所述的TiAl/Ti₃SiC₂复合板材，其特征在于，所述的TiAl基合金层和Ti₃SiC₂陶瓷层为等厚或不等厚叠放。

4.一种权利要求1或2所述的TiAl/Ti₃SiC₂复合板材的制备方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将Ti粉、Si粉、C粉按照上述比例混合并干燥，将干燥后的粉体置于模具中压坯，得到Ti₃SiC₂陶瓷的原料素坯；

(2)将Ti粉和Al粉按照上述比例混合并干燥，将干燥后的粉体置于模具中压坯，得到TiAl基合金的原料素坯；

(3)将Ti₃SiC₂陶瓷的原料素坯和TiAl基合金的原料素坯叠放在一起，叠放层数不小于两层；

(4)将步骤(3)得到的层状坯料进行真空热压烧结，烧结温度为1400～1600℃，烧结压力为20～30MPa，烧结1～3小时，即得到一种TiAl/Ti₃SiC₂复合板材。

5.一种权利要求3所述的TiAl/Ti₃SiC₂复合板材的制备方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将Ti粉、Si粉、C粉按照上述比例混合并干燥，将干燥后的粉体置于模具中压坯，得到Ti₃SiC₂陶瓷的原料素坯；

(2)将Ti粉和Al粉按照上述比例混合并干燥，将干燥后的粉体置于模具中压坯，得到TiAl基合金的原料素坯；

(3)将Ti₃SiC₂陶瓷的原料素坯和TiAl基合金的原料素坯叠放在一起，叠放层数不小于两层；

(4)将步骤(3)得到的层状坯料进行真空热压烧结，烧结温度为1400～1600℃，烧结压力为20～30MPa，烧结1～3小时，即得到一种TiAl/Ti₃SiC₂复合板材。