CN104674047A - 一种双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料及其无压浸渗制备方法 - Google Patents

一种双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料及其无压浸渗制备方法 Download PDF

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Abstract

一种双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料及其无压浸渗制备方法。该材料中Ti3AlC2的体积含量为20～80vol％，其余为Ni基合金。该材料的显微结构为陶瓷相Ti3AlC2与金属相Ni基合金各自呈三维空间连续分布，在空间呈网络交叉结构，二者界面结合牢固。该材料的制备方法：将不同孔隙率的Ti3AlC2预制体置于石墨坩埚内，在其上方放入预先烧制的Ni基合金锭，在真空下，以10～30℃/min升温至1150～1500℃。在保温开始30min时，停止抽真空，同时往炉内通入氩气，气压0.5～1Bar，保温时间为30～120min，以10～30℃/min冷却到室温，得到双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料；该材料具有高强度、高硬度、高耐磨、耐高温等显著特点，可广泛用于航天、军工、交通运输、机械制造等领域的关键器件。

Description

一种双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料及其无压浸渗制备方法
技术领域
本发明涉及一种双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料及其无压浸渗制备方法。
背景技术
镍基高温合金在整个高温合金领域内占有特殊重要的地位，它广泛地用于制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的最热端部件，如涡轮部分的工作叶片、导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。在先进的航空发动机中，高温合金的用量占40-60％，因此这种材料被喻为“燃气涡轮的心脏”。近年来由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度和工作温度。目前为了改进Ni基复合材料在高温场所的蠕变性能，抗热疲劳性能，一些传统的陶瓷颗粒像Al2O3、SiO2、TiC、WC、SiC、TiB2等颗粒用于制备镍基复合材料，此外，为了增强镍基合金的摩擦性能，石墨、MoS2等陶瓷颗粒添加到基体中以增强其润滑性。但是这些陶瓷的加入容易破坏Ni基体的可加工性，导电性，降低材料的韧性等。
Ti3AlC2是一种新型的三元碳化物陶瓷，由M.A.Pietzka和J.C.Schuster首次发现并在《J.Phase Equilib》1994年第15期392页公开报道。钛铝碳属于六方晶系，晶粒为层状结构、外形呈板状，理论密度为4.25g/cm3。其多晶块体材料的维氏硬度为3.5GPa、杨氏模量为297GPa、室温压缩强度为540～580MPa、室温弯曲强度为360～390MPa、室温电阻率为0.35μΩ·m，经1100℃淬火后强度不降低，可机加工(参考文献：N.V.Tzenov和M.W.Barsoum,J.Am.Ceram.Soc.,2000,83[4]:825)。此外，其多晶块体材料具有良好的摩擦学性能：在0.8MPa压强和60m/s滑动速度下，对低碳钢的干摩擦系数约为0.1，磨损率约为2.5×10-6mm3/Nm(参考文献：H-X Zhai，et al,Mater.Sci.Forum,2005[475-479]:1251)。因此，将其作为增强相来增强Ni基复合材料，可以具有高强度、高硬度和耐磨性等。但是，目前为止还没有利用这种新型陶瓷来增强Ni基复合材料的报道。
双连续相金属陶瓷材料，是20世纪80年代发展起来的陶瓷/金属复合材料的一种结构形式，即陶瓷相与金属相均为三维空间连续，在空间呈网络交叉结构。这种结构使其具有颗粒或纤维增强复合材料没有的特点：相对于纤维增强材料，其在整体结构上具有各向同性的特点、相对于颗粒或晶须增强材料，它具有相互连续的特点。双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料可以使Ti3AlC2陶瓷和Ni基合金均为连续分布，陶瓷骨架因为金属相所具有的韧性得到增韧，金属相由于陶瓷骨架的刚性承载作用而得到增强，两者相互依托，相互补强，互为支撑骨架，与传统的颗粒增强、纤维增强和晶须增强复合材料相比，具有更为独特的力学性能、抗摩擦磨损性能、减振性能和热学性能，而且具备性能的各向同性，同时由于Ti3AlC2的加入，能显著降低复合材料的密度，因此可以减小实际应用过程中的零部件重量，有助于节约能源消耗，提高使用可靠性。在航空航天、交通运输、机械制造等工业领域展示了广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以多孔Ti3AlC2预制体(气孔率为20～80％)和Ni基合金粉为原料制成的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料及其无压浸渗制备方法。
本发明的技术方案：
本发明的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料，其成分如下：
Ti3AlC2的体积含量为20～80vol％，其余为Ni基合金。
本发明的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料，其显微结构如下：
陶瓷相Ti3AlC2与金属相Ni基合金相各自呈三维空间连续分布，在空间呈网络交叉结构，二者界面结合牢固。
本发明的一种双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料无压浸渗制备方法，该方法包括以下各步骤：
步骤1，在石墨坩埚内置入石墨垫片，装入一定量的Ni基合金粉，将模具装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按10～30℃/min的升温速率，将炉温升至1000～1450℃，保温10～20min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Ni基合金锭。
步骤2，将多孔Ti3AlC2预制体(孔隙率为20～80％)置于石墨坩埚内，在其上方放入预先烧制的Ni基合金锭。
步骤3，将石墨坩埚放入高温炉中，在真空下，以10～30℃/min升温至1150～1500℃。在保温开始10～30min时，停止抽真空，同时往炉内通入氩气，气压0.5～1Bar，保温时间30～120min，以10～20℃/min冷却到900℃，之后随炉冷却，即得到双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料。
本发明所具有的有益效果：
本发明的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料，其最高屈服强度可以达到1801MPa，远高于一般的陶瓷增强Ni基合金的屈服强度。其压缩强度、最大变形率和维氏硬度依初始Ti3AlC2预制体的气孔率不同而不同。本发明的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料，其屈服强度最高可达1801MPa，压缩强度最大可达2456MPa，最大伸长率可达21.5％，维氏硬度最高为7.74GPa；对于本发明的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料的应用，可根据实际的使用要求选取适当气孔率的Ti3AlC2预制体和Ni进行浸渗。本发明的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料的无压浸渗制备方法，其主要的好处在于工艺简单，易于操作，适合制造需要高强度、高耐磨、耐高温的零件。
本发明的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料可广泛用于交通运输、航天、军工、机械制造等领域，例如用于制造高速铁路的制动盘、机械行业中的耐磨轴承、涡轮叶片等。
附图说明
图1是本发明的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料的显微结构照片。深色部分为Ti3AlC2颗粒，浅色部分为Ni基合金。
图2是本发明的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料压缩断口的扫描电子显微镜(SEM)照片。
具体实施方式
实施方式一
在石墨坩埚内置入石墨垫片，装入一定量的Ni基合金粉，将模具装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按30℃/min的升温速率，将炉温升至1450℃，保温10min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Ni基合金锭。将气孔率为20％的多孔Ti3AlC2预制体置于石墨坩埚内，在其上方放入预先烧制的Ni基合金锭。将石墨坩埚放入高温炉中，在真空下，以10℃/min升温至1500℃。在保温开始30min时，停止抽真空，同时往炉内通入氩气，气压0.5Bar，保温时间60min，以15℃/min冷却到900℃，之后随炉冷却，即得到双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料。
将上述的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料，加工成直径为6mm，长度为10mm的圆柱体，在万能试验机上以0.25mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为873MPa，压缩强度为1006MPa，最大延伸率为6.5％；测得该样品的维氏硬度为7.74GPa。
实施方式二
在石墨坩埚内置入石墨垫片，装入一定量的Ni基合金粉，将模具装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按20℃/min的升温速率，将炉温升至1000℃，保温20min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Ni基合金锭。将气孔率为40％的多孔Ti3AlC2预制体置于石墨坩埚内，在其上方放入预先烧制的Ni基合金锭。将石墨坩埚放入高温炉中，在真空下，以20℃/min升温至1150℃。在保温开始20min时，停止抽真空，同时往炉内通入氩气，气压1Bar，保温时间120min，以20℃/min冷却到900℃，之后随炉冷却，即得到双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料。
将上述的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料，加工成直径为6mm，长度为10mm的圆柱体，在万能试验机上以0.25mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为1273MPa，压缩强度为1806MPa，最大延伸率为8.7％；测得该样品的维氏硬度为7.03GPa
实施方式三
在石墨坩埚内置入石墨垫片，装入一定量的Ni基合金粉，将模具装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按10℃/min的升温速率，将炉温升至1150℃，保温10min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Ni基合金锭。将气孔率为50％的多孔Ti3AlC2预制体置于石墨坩埚内，在其上方放入预先烧制的Ni基合金锭。将石墨坩埚放入高温炉中，在真空下，以15℃/min升温至1170℃。在保温开始30min时，停止抽真空，同时往炉内通入氩气，气压1Bar，保温时间90min，以10℃/min冷却到900℃，之后随炉冷却，即得到双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料。
将上述的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料，加工成直径为6mm，长度为10mm的圆柱体，在万能试验机上以0.25mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为1801MPa，压缩强度为2456MPa，最大延伸率为12.5％；测得该样品的维氏硬度为6.66GPa。
实施方式四
在石墨坩埚内置入石墨垫片，装入一定量的Ni基合金粉，将模具装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按30℃/min的升温速率，将炉温升至1250℃，保温10min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Ni基合金锭。将气孔率为60％的多孔Ti3AlC2预制体置于石墨坩埚内，在其上方放入预先烧制的Ni基合金锭。将石墨坩埚放入高温炉中，在真空下，以30℃/min升温至1300℃。在保温开始30min时，停止抽真空，同时往炉内通入氩气，气压0.8Bar，保温时间30min，以10℃/min冷却到900℃，之后随炉冷却，即得到双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料。
将上述的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料，加工成直径为6mm，长度为10mm的圆柱体，在万能试验机上以0.25mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为1553MPa，压缩强度为2012MPa，最大延伸率为17.8％；测得该样品的维氏硬度为5.53GPa
实施方式五
在石墨坩埚内置入石墨垫片，装入一定量的Ni基合金粉，将模具装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按30℃/min的升温速率，将炉温升至1300℃，保温15min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Ni基合金锭。将气孔率为80％的多孔Ti3AlC2预制体置于石墨坩埚内，在其上方放入预先烧制的Ni基合金锭。将石墨坩埚放入高温炉中，在真空下，以20℃/min升温至1300℃。在保温开始10min时，停止抽真空，同时往炉内通入氩气，气压1Bar，保温时间100min，以10℃/min冷却到900℃，之后随炉冷却，即得到双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料。
将上述的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料，加工成直径为6mm，长度为10mm的圆柱体，在万能试验机上以0.25mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为1072MPa，压缩强度为1521MPa，最大延伸率为21.5％；测得该样品的维氏硬度为4.86GPa
上述实施方式使用的多孔Ti3AlC2陶瓷预制体为专利申请号：201410058222.9，发明名称：“一种多孔Ti3AlC2陶瓷及其NaCl水洗制备方法”所制备的多孔Ti3AlC2陶瓷预制体。

Claims (3)

1.一种双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料，其特征在于：其成分如下：
Ti3AlC2的体积含量为20～80vol％，其余为Ni基合金。
2.根据权利要求1所述的双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料，其特征在于：其显微结构如下：
陶瓷相Ti3AlC2与金属相Ni基合金各自呈三维空间连续分布，在空间呈网络交叉结构，二者界面结合牢固。
3.一种双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料的无压浸渗制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1，在石墨坩埚内置入石墨垫片，装入一定量的Ni基合金粉，将模具装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按10～30℃/min的升温速率，将炉温升至1000～1450℃，保温10～20min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Ni基合金锭。
步骤2，将多孔Ti3AlC2预制体(孔隙率为20～80％)置于石墨坩埚内，在其上方放入预先烧制的Ni基合金锭。
步骤3，将石墨坩埚放入高温炉中，在真空下，以10～30℃/min升温至1150～1500℃。在保温开始10～30min时，停止抽真空，同时往炉内通入氩气，气压0.5～1Bar，保温时间30～120min，以10～20℃/min冷却到900℃，之后随炉冷却，即得到双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料。
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