CN104862575B - 一种Ti3AlC2/Fe基复合材料的无压浸渗制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种Ti3AlC2/Fe基复合材料的无压浸渗制备方法。利用该方法制备得到的复合材料中Ti3AlC2的体积含量为20～80vol％，其余为Fe基合金。复合材料显微结构为陶瓷相Ti3AlC2与金属相Fe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。该无压浸渗制备方法如下：将不同孔隙率的Ti3AlC2预制体放入氧化铝坩埚内，在其上方放入预先烧制的铁合金铸锭，在高温炉内以10～30℃/min的升温速率加热至1200～1400℃，保温0.5～4h，然后以5～10℃/min的降温速率降温至800℃，再以10～30℃/min的速率降温，冷却后得到Ti3AlC2/Fe基复合材料。该材料具有高强度、高硬度、高耐磨等显著特点，可广泛用于交通运输、军工、机械制造等领域的关键器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种Ti3AlC2/Fe基复合材料的无压浸渗制备方法。
背景技术
由一种或几种陶瓷相增强钢铁基复合材料，能提高传统钢铁材料的强度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性等特性，在机械、化工、冶金、交通等领域有广泛的用途。例如，道岔、制动盘等轨道交通材料采用陶瓷增强铁基复合材料可以提高其耐磨性和耐蚀性；核能领域的结构材料中采用陶瓷增强铁基复合材料，可以提高其抗辐照和耐高温能力，满足各种裂变快堆和聚变堆的需要；冶金行业里的轧辊材料采用陶瓷增强铁基复合材料，可以避免通常Cr铸铁(钢)工作表面和高强韧的球墨铸铁芯部组成的复合结构轧辊的高温耐磨性，以及新型的钢结硬质合金轧辊所存在的韧性低、易开裂、消耗大、成本昂贵等不足；陶瓷增强复合钢铁材料还可以作为在机械行业中耐磨轴承、化工行业中的石油和水煤浆管道等。
钛铝碳(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：Z-Y Huang，et al,Tribology Letters,2007,27[2]:129-135)。因此，将其作为增强相来增强Fe基复合材料，可以具有很好的强度、硬度和耐磨性。
采用多孔陶瓷骨架预制体浸渗金属的制备方法，可以使Ti3AlC2陶瓷和Fe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等。同时由于Ti3AlC2的加入，能显著降低复合材料的密度，有助于节约能源消耗，提高使用可靠性。在交通运输、机械制造、冶金等工业领域展示了广泛的应用前景。但目前还没有采用此方法来制备Ti3AlC2/Fe基复合材料的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以多孔Ti3AlC2预制体和Fe基合金为原料，无压浸渗制备Ti3AlC2/Fe基复合材料的方法。
本发明的技术方案：
本发明的一种Ti3AlC2/Fe基复合材料的无压浸渗制备方法，其特征在于
(1)该方法制备得到的Ti3AlC2/Fe基复合材料，其成分如下：Ti3AlC2的体积含量为20～80vol％，其余为Fe基合金；
(2)该方法制备得到的Ti3AlC2/Fe基复合材料，其显微结构如下：陶瓷相Ti3AlC2与金属相Fe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)该方法包括以下步骤：
步骤1，根据浸渗需要将一定质量Fe基合金粉末放入氧化铝坩埚中，把坩埚放入真空烧结炉中，在氩气保护下，按20～40℃/min的升温速率，将炉温升至1100～1400℃，保温10～30min，再以10～15℃/min的速率降温，冷却后得到Fe基合金铸锭；
步骤2，将多孔Ti3AlC2预制体，孔隙率为20～80％，放入氧化铝坩埚内，在其上方放入预先烧制的铁合金铸锭；
步骤3，加热浸渗：将坩埚放高温内，以10～30℃/min的升温速率加热至1200～1400℃，保温0.5～4h，然后以5～10℃/min的降温速率降温至800℃，再以10～30℃/min的速率降温，冷却后得到Ti3AlC2/Fe基复合材料。
本发明所具有的有益效果：
采用本发明方法制备的Ti3AlC2/Fe基复合材料，其最高压缩屈服强度可以达到1400MPa，远高于一般的陶瓷增强Fe基合金的屈服强度。其压缩强度、最大变形率和维氏硬度依依初始Ti3AlC2预制体的气孔率不同而不同。采用本发明方法制备的Ti3AlC2/Fe基复合材料，其压缩屈服强度最高可达1400MPa，压缩强度最大可达1850MPa，最大变形率可达11.6％，维氏硬度HV最高为635；对于本发明的Ti3AlC2增强Fe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Fe基合金进行浸渗。本发明的Ti3AlC2/Fe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、高耐磨的零部件。
采用本发明方法制备的Ti3AlC2/Fe基复合材料可广泛用于机械、交通、化工、军工等领域，例如用于制造高速铁路的制动盘、机械行业中的耐磨轴承、石油和水煤浆管道等。
附图说明
图1和图2是分别采用不同气孔率的Ti3AlC2预制体，无压浸渗Fe基合金制备得到的Ti3AlC2/Fe基复合材料的显微结构照片。
具体实施方式
实施方式一
将一定质量Fe90合金粉末放入氧化铝坩埚，放入真空烧结炉中，在氩气保护下，按20℃/min的升温速率，将炉温升至1300℃，保温30min，再以15℃/min的速率降温，冷却后得到Fe基合金铸锭。将气孔率为20％的多孔Ti3AlC2预制体置于氧化铝坩埚内，在其上方放入预先烧制的铁合金铸锭，在高温炉内以20℃/min的升温速率加热至1300℃，保温2h，然后以5℃/min的降温速率降温至800℃，再以20℃/min的速率降温，冷却后得到Ti3AlC2/Fe基复合材料。
将上述的双连续相Ti3AlC2/Fe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1085MPa，最大变形率为1.5％；测得该样品的维氏硬度HV为494。
实施方式二
将一定质量Fe90合金粉末放入氧化铝坩埚，放入真空烧结炉中，在氩气保护下，按40℃/min的升温速率，将炉温升至1400℃，保温10min，再以10℃/min的速率降温，冷却后得到Fe基合金铸锭。将气孔率为54％的多孔Ti3AlC2预制体置于氧化铝坩埚内，在其上方放入预先烧制的铁合金铸锭，在高温炉内以30℃/min的升温速率加热至1400℃，保温0.5h，然后以10℃/min的降温速率降温至800℃，再以30℃/min的速率降温，冷却后得到Ti3AlC2/Fe基复合材料。
将上述的双连续相Ti3AlC2/Fe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1073MPa，压缩强度为1360MPa，最大变形率为6.5％；测得该样品的维氏硬度为586。
实施方式三
将一定质量Fe90合金粉末放入氧化铝坩埚，放入真空烧结炉中，在氩气保护下，按30℃/min的升温速率，将炉温升至1250℃，保温20min，再以10℃/min的速率降温，冷却后得到Fe基合金铸锭。将气孔率为68％的多孔Ti3AlC2预制体置于氧化铝坩埚内，在其上方放入预先烧制的铁合金铸锭，在高温炉内以10℃/min的升温速率加热至1300℃，保温 4h，然后以5℃/min的降温速率降温至800℃，再以10℃/min的速率降温，冷却后得到Ti3AlC2/Fe基复合材料。
将上述的双连续相Ti3AlC2/Fe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1400MPa，压缩强度为1850MPa，最大变形率8.7％；测得该样品的维氏硬度为635。
实施方式四
将一定质量Fe60合金粉末放入氧化铝坩埚，放入真空烧结炉中，在氩气保护下，按30℃/min的升温速率，将炉温升至1100℃，保温20min，再以10℃/min的速率降温，冷却后得到Fe基合金铸锭。将气孔率为80％的多孔Ti3AlC2预制体置于氧化铝坩埚内，在其上方放入预先烧制的铁合金铸锭，在高温炉内以20℃/min的升温速率加热至1200℃，保温2h，然后以5℃/min的降温速率降温至800℃，再以15℃/min的速率降温，冷却后得到Ti3AlC2/Fe基复合材料。
将上述的双连续相Ti3AlC2/Fe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900MPa，压缩强度为1150MPa，最大变形率11.6％；测得该样品的维氏硬度为372。
实施方式五
将一定质量Fe60合金粉末放入氧化铝坩埚，放入真空烧结炉中，在氩气保护下，按30℃/min的升温速率，将炉温升至1200℃，保温30min，再以20℃/min的速率降温，冷却后得到Fe基合金铸锭。将气孔率为68％的多孔Ti3AlC2预制体置于氧化铝坩埚内，在其上方放入预先烧制的铁合金铸锭，在高温炉内以10℃/min的升温速率加热至1300℃，保温3h，然后以5℃/min的降温速率降温至800℃，再以10℃/min的速率降温，冷却后得到Ti3AlC2/Fe基复合材料。
将上述的双连续相Ti3AlC2/Fe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1105MPa，压缩强度为1250MPa，最大变形率9.8％；测得该样品的维氏硬度为573。
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 (1)
1.一种Ti3AlC2/Fe基复合材料的无压浸渗制备方法，其特征在于：
(1)该方法制备得到的Ti3AlC2/Fe基复合材料，其成分如下：Ti3AlC2的体积含量为20～80vol％，其余为Fe基合金；
(2)该方法制备得到的Ti3AlC2/Fe基复合材料，其显微结构如下：陶瓷相Ti3AlC2与金属相Fe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)该方法包括以下步骤：
步骤1，根据浸渗需要将一定质量Fe基合金粉末放入氧化铝坩埚中，把坩埚放入真空烧结炉中，在氩气保护下，按20～40℃/min的升温速率，将炉温升至1100～1400℃，保温10～30min，再以10～15℃/min的速率降温，冷却后得到Fe基合金铸锭；
步骤2，将多孔Ti3AlC2预制体，孔隙率为20～80％，放入氧化铝坩埚内，在其上方放入预先烧制的铁合金铸锭；
步骤3，加热浸渗：将坩埚放高温炉内，以10～30℃/min的升温速率加热至1200～1400℃，保温0.5～4h，然后以5～10℃/min的降温速率降温至800℃，再以10～30℃/min的速率降温，冷却后得到Ti3AlC2/Fe基复合材料。
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