CN106834802B - 一种致密型钛/氧化铝复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种致密型钛/氧化铝复合材料及其制备方法，属于金属陶瓷复合材料的制备技术领域。鉴于无压条件下钛/氧化铝复合材料难以致密的主要原因是高熔点金属钛难以烧结致密，本发明采用掺加易与钛形成固溶体的金属或其氧化物，促进钛的烧结，从而在无压条件下获得致密的钛/氧化铝复合材料，同时由于钛固溶体的形成，提高了材料的强度。具体步骤包括：将钛粉、氧化铝粉和易与钛形成固溶体的金属或其氧化物粉按一定体积比称量，以酒精为分散介质，氧化铝球为球磨介质，充分混合后干燥得到混合粉料；将混合粉料在一定压力下采用模压成型和冷等静压处理；将成型样品置于真空烧结炉中以一定升温速率、烧结温度、保温时间进行无压烧结。

Description

一种致密型钛/氧化铝复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种致密型钛/氧化铝复合材料及其制备方法，属于稀土氧化物掺加陶瓷基金属复合材料的制备技术领域。
背景技术
氧化铝陶瓷是发展比较早和应用范围广泛的一类复相陶瓷材料，氧化铝基陶瓷材料具有较高的硬度，耐高温，弹性模量大，热稳定性好，价格低廉，资源丰富等优点，但氧化铝陶韧性较低，限制了其在生产实践中的应用。金属钛有质轻、耐腐、高韧性和高延展性等优点，一直以来在航天领域起到不可或缺的作用。
金属钛与氧化铝陶瓷之间相近的低膨胀系数及较好的物理化学相容性，使得钛和氧化铝陶瓷可以实现很好的结合，在氧化铝基陶瓷材料中加入钛，金属钛作为粘结相，使得氧化铝基陶瓷材料结合更为紧密，能够明显的提高其断裂韧性，同时二者在性能上的互补可以克服各自性能的部分劣势，获得高强高韧的新型复合材料。
但在对钛/氧化铝复合材料的研究中，研究人员发现，在高温下钛难以烧结致密，钛和氧化铝会产生TiAl、Ti3Al等具有室温脆性的金属间化合物，填充在钛和氧化铝晶界之间，使晶粒间界面结合力收到破坏，影响了钛/氧化铝复合材料的力学性能。
近些年来，关于掺加稀土元素来提高陶瓷性能和烧结效率的研究日趋成熟。如CeO2，Pr6O11，Y2O3等的掺杂研究都取得显著成效，但这些研究都是通过放电等离子烧结或热压烧结方法制备的，放电等离子烧结制备的产品成本较高，热压烧结则只能制备形状简单的样品，样品形状受到了一定的限制，二者都不太适合用于工业化生产，而通过掺加易与钛形成固溶体的金属或其氧化物用于增强钛/氧化铝复合材料，通过无压烧结就可以促进钛的烧结，抑制了钛铝化合物的生成，使钛铝之间形成新的界面，提高其力学性能，材料强度得到了显著提高，且能够制备形状较为复杂的产品，有利于工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种致密型钛/氧化铝复合材料及其制备方法。该复合材料在制备过程中掺加易与钛形成固溶体的金属或其氧化物，促进钛的烧结，从而在无压条件下获得致密的钛/氧化铝复合材料，密度得到了进一步的提升，其力学性能和弯曲强度得到了很大的提高。
本发明采用以下技术方案：
一种致密型钛/氧化铝复合材料，所述复合材料烧结样品的相对密度为94％-96.4％；烧结样品的弯曲强度为300-410MPa；烧结样品的硬度为10-15GPa。
上述的致密型钛/氧化铝复合材料的制备方法，它包括以下步骤：
a.将钛粉、氧化铝粉和易与钛形成固溶体的金属或其氧化物粉按一定体积比称量，以酒精为分散介质，氧化铝球为球磨介质，球磨4h，充分混合后干燥得到混合粉料；
b.取混合粉料使用直径45mm的石墨模具，将混合粉料采用模压成型和冷等静压处理，模压成型压力为：20-40MPa，保压2分钟；冷等静压压力为：100-200MPa，保压2分钟；
c.将上述压制成型的样品置于真空烧结炉中以一定升温速率、烧结温度、保温时间进行无压烧结，得到最终致密型复合材料。
所述步骤a中易与钛形成固溶体的金属或其氧化物粉包括：钽、铪、铌、锆、钼或其金属氧化物，其占所用粉料总体积百分比比为：1-20％。
所述步骤c中烧结温度为1200-1700℃，保温1-6h，升温速率为5-20℃/分钟。
本发明相比现有技术的优越性在于：
(1)本发明制备的复合材料相较于无掺杂钛/氧化铝复合材料，密度得到了进一步的提升，给无压烧结致密钛/氧化铝复合材料提供了一种较为优良的烧结助剂选择；
(2)本发明掺加易与钛形成固溶体的金属或其氧化物，能使钛与氧化铝产生一种新的界面，使其结合强度得到提升，同时抑制了钛铝化合物的生成，提高其力学性能，其弯曲强度得到了很大的提高；
(3)该发明的操作流程简单，能制备出形状复杂的产品，对实际使用有着重要意义，可对其进行批量化生产。
附图说明
图1为实施例1中掺加氧化钽的钛氧化铝复合材料的XRD图谱；
图2为实施例1中掺加氧化钽的钛氧化铝复合材料的断面SEM图；
图3为对比例1中钛氧化铝复合材料的XRD图谱；
图4为对比例1中钛氧化铝复合材料的的断面SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
将钛粉、氧化铝粉、氧化钽粉按37:56:7的体积比进行配制，以酒精为分散介质，氧化铝球为球磨介质，球磨4h；然后进行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取混合粉料使用直径45mm的石墨模具，将混合粉料采用模压成型和冷等静压处理，模压成型压力为30MPa，保压2分钟，冷等静压压力为120MPa，保压2分钟；将压制成型的样品置于真空烧结炉中在1550℃、无压条件下烧结1.5h，升温速率10℃/分钟；制得样品。经测定，样品的相对密度为96.4％，弯曲强度402.67MPa，硬度(Hv)为12.32GPa；此无压烧结后的样品的强度达到了与热压烧结的强度。X射线衍射分析显示(图像如图1所示)，添加氧化钽后，Ti与Al2O3之间形成了新的晶界，同时，通过扫描电镜分析我们发现(图像如图2所示)，钛与铝两者之间的结合更为紧密，进一步提升了复合材料的强度。
实施例2
将钛粉、氧化铝粉、氧化铪粉按37:56:7的体积比进行配制，以酒精为分散介质，氧化铝球为球磨介质，球磨4h；然后进行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取混合粉料使用直径45mm的石墨模具，将混合粉料采用模压成型和冷等静压处理，模压成型压力为30MPa，保压2分钟，冷等静压压力为110MPa，保压2分钟；将压制成型的样品置于真空烧结炉中在1550℃、无压条件下烧结1.5h，升温速率10℃/分钟；制得样品。经测定，样品的相对密度为96.1％，弯曲强度405.32MPa，硬度(Hv)为12.38GPa。添加氧化铪后，Ti与Al2O3之间形成了新的晶界，钛与铝两者之间结合更紧密，复合材料的强度得到了很大的提升。
实施例3
将钛粉、氧化铝粉、氧化铌粉按38:57:5的体积比进行配制，以酒精为分散介质，氧化铝球为球磨介质，球磨4h；然后进行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取混合粉料使用直径45mm的石墨模具，将混合粉料采用模压成型和冷等静压处理，模压成型压力为30MPa，保压2分钟，冷等静压压力为120MPa，保压2分钟；将压制成型的样品置于真空烧结炉中在1450℃、无压条件下烧结1.5h，升温速率10℃/分钟；制得样品。经测定，样品的相对密度为95.32％，弯曲强度393.28MPa，硬度(Hv)为11.18GPa；添加氧化铌后，可以发现Ti与Al2O3之间形成了新的界面，两者之间的结合更为紧密，复合材料的强度得到进一步的提高。
实施例4
将钛粉、氧化铝粉、氧化锆粉按38:57:5的体积比进行配制，以酒精为分散介质，氧化铝球为球磨介质，球磨3h；然后进行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取混合粉料使用直径45mm的石墨模具，将混合粉料采用模压成型和冷等静压处理，模压成型压力为30MPa，保压2分钟，冷等静压压力为110MPa，保压2分钟；将压制成型的样品置于真空烧结炉中，在1450℃、无压条件下烧结1.5h，升温速率10℃/分钟；制得样品。经测定，样品的相对密度为95.01％，弯曲强度388.97MPa，硬度(Hv)为10.98GPa；添加氧化锆后，可以发现Ti与Al2O3之间形成了新的界面，两者之间的结合更紧密，提高了复合材料的强度。
实施例5
将钛粉、氧化铝粉、氧化钼粉按39:58:3的体积比进行配制，以酒精为分散介质，氧化铝球为球磨介质，球磨3h；然后进行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取混合粉料使用直径45mm的石墨模具，将混合粉料采用模压成型和冷等静压处理，模压成型压力为30MPa，保压2分钟，冷等静压压力为110MPa，保压2分钟；将压制成型的样品置于真空烧结炉中在1450℃、无压条件下烧结1.5h，升温速率10℃/分钟；制得样品。经测定，样品的相对密度为94.03％，弯曲强度376.81MPa，硬度(Hv)为10.03GPa；添加氧化钼后，发现Ti与Al2O3之间形成了新的界面，两者结合更紧密，复合材料的强度得到提高。
对比例1
将钛粉、氧化铝粉按40:60的体积比进行配制，以酒精为分散介质，氧化铝球为球磨介质，球磨4h；然后进行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取30g混合粉料使用直径45mm的石墨模具，将混合粉料采用模压成型和冷等静压处理，模压成型压力为30MPa，保压2分钟，冷等静压压力为120MPa，保压2分钟；将压制成型的样品置于真空烧结炉中在1550℃、无压条件下烧结1.5h，升温速率10℃/分钟；制得样品。经测定，样品的相对密度为89.07％，弯曲强度为258.36MPa，硬度(Hv)为7.42GPa。X射线衍射分析表明(图像如图3所示)，样品中有大量的TiAl和Ti3Al金属间化合物的生成，这些物质具有较强的室温脆性，将会大大降低复合材料整体的强度和韧性。同时，通过扫描电镜分析我们发现钛与铝的晶界比较明显(图像如图4所示)，两者之间结合力较弱。
对比例2
将钛粉、氧化铝粉按40:60的体积比进行配制，以酒精为分散介质，氧化铝球为球磨介质，球磨4h；然后进行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取混合粉料使用直径45mm的石墨模具，将混合粉料采用模压成型和冷等静压处理，模压成型压力为30MPa，保压2分钟，冷等静压压力为120MPa，保压2分钟；将压制成型的样品置于真空烧结炉中在1450℃、无压条件下烧结1.5h，升温速率10℃/分钟；制得样品。经测定，样品的相对密度为87.23％，弯曲强度为234.31MPa，硬度(Hv)为6.75GPa。通过扫描电镜分析样品中同样有大量的TiAl和Ti3Al金属间化合物的生成，这些物质具有较强的室温脆性，使复合材料整体的强度和韧性大幅度降低。同时，通过扫描电镜分析我们发现钛与铝的晶界比较明显，二者结合力比较弱。

Claims (2)

1.一种致密型钛/氧化铝复合材料的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
a．将钛粉、氧化铝粉和易与钛形成固溶体的金属或其氧化物粉按一定体积比称量，以酒精为分散介质，氧化铝球为球磨介质，球磨3-4h，充分混合后干燥得到混合粉料；
b．取混合粉料使用直径45mm的石墨模具，将混合粉料采用模压成型和冷等静压处理，模压成型压力为：20-40MPa，保压2分钟；冷等静压压力为：100-200MPa，保压2分钟；
c．将上述压制成型的样品置于真空烧结炉中以一定升温速率、烧结温度、保温时间进行无压烧结，得到最终致密型复合材料；
所述复合材料烧结样品的相对密度为94%-96.4%；烧结样品的弯曲强度为300-410MPa；烧结样品的硬度为10-15GPa；
所述步骤a中易与钛形成固溶体的金属或其氧化物粉包括：钽、铪、铌、锆、钼或其金属氧化物，其占所用粉料总体积百分比为：3-7%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c中烧结温度为1200-1700℃，保温1-6h，升温速率为5-20℃/分钟。
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