CN107312948A - 一种三维连续网络结构钛铝碳/铝基复合材料及其无压浸渗制备方法 - Google Patents

一种三维连续网络结构钛铝碳/铝基复合材料及其无压浸渗制备方法 Download PDF

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Abstract

一种三维连续网络结构钛铝碳/铝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Al基合金。该材料的显微结构为陶瓷相Ti3AlC2与金属相Al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预制体置于刚玉坩埚内，在其上方放入预先烧制的Al基合金锭，在真空下，以10～30℃/min升温至750～1100℃。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，得到三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料；该材料具有轻量化、高强度、高耐磨等显著特点，可广泛用于汽车、交通运输、航天、军工、机械制造等领域的零件制造。

Description

一种三维连续网络结构钛铝碳/铝基复合材料及其无压浸渗 制备方法
技术领域
本发明涉及一种三维连续网络结构钛铝碳/铝基复合材料及其无压浸渗制备方法。
背景技术
铝基复合材料的研究开始于上世纪50年代。近20年来，从理论上、技术上都取得了较大成就。当前铝基复合材料的研究主要集中在两个方面:(1)采用连续纤维增强的具有优异性能的复合材料，应用范围集中在航天航空、军事领域；(2)采用不连续增强体增强的具有优良性能的复合材料，应用于汽车制造业。我国较全面地开展了铝基复合材料方面的研究工作，包括纤维增强、颗粒增强、层压复合、喷射沉积、原位生成等方面的研究，取得了进展,正走向实用。目前开发的铝基复合材料主要有B/Al，BC/Al，SiC/Al，A12O3/Al，SiCP/Al，添加的纤维分为颗粒、晶须、短晶须和长纤维，但这些陶瓷加入易造成铝及其合金的强度、耐磨性等机械性能与其导电导热性难以兼顾的矛盾，极大限制了其在航天、航空、微电子等高技术领域的应用。
Ti3AlC2是一种新型的三元碳化物导电陶瓷，兼具陶瓷和金属的特性。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优异的摩擦学性能：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,J.Am.Ceram.Soc.,2005，88[11]：3270)。因此，将其作为增强相来增强Al基复合材料，可以得到具有高强度、高耐磨、良好导热性能的Ti3AlC2/Al基复合材料。但是，目前为止还没有利用这种新型陶瓷来增强Al基复合材料的报道。
三维连续网络结构金属陶瓷材料，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。三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料可以使Ti3AlC2陶瓷和Al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，在汽车工业、交通运输、航空航天、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Al基合金为原料制成的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料及其无压浸渗制备方法。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料，其成分如下：Ti3AlC2的体积含量为20～80vol％，其余为Al基合金。
所述的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料，其显微结构如下：陶瓷相Ti3AlC2与金属相Al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。
所述的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料的无压浸渗制备方法，该方法包括以下各步骤：
步骤1，将Al基合金粉装入模具中，预压60～120MPa，将其压制成Al基合金坯体。
步骤2，在刚玉坩埚内涂抹氮化硼，装入预压好的Al基合金坯体，将坩埚装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按10～30℃/min的升温速率，将炉温升至700～900℃，保温10～30min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Al基合金锭。
步骤3，将多孔Ti3AlC2预制体(孔隙率为20～80％)置于刚玉坩埚内，在其上方放入预先烧制的Al基合金锭，在其周边铺满Al基合金粉。
步骤4，将刚玉坩埚放入真空烧结炉中，在真空下，以10～30℃/min升温至750～1100℃。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，之后随炉冷却，待炉温降低到80℃后取出，即得到三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料。
本发明所具有的有益效果：
本发明的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料，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。本发明的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料，其屈服强度最高可达421MPa，压缩强度最大可达482MPa，最大断裂塑性应变可达16.5％，维氏硬度最高为2.5GPa；对于本发明的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al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Al进行无压浸渗。本发明的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al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，适合制造需要轻量化、良好导电性能、高强度、高耐温的零件。
本发明的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料可广泛用于汽车、交通运输、航天、军工、机械制造等领域，例如用于汽车发动机活塞抗磨环、汽车连杆等汽车零部件、制造电子器材的衬装材料、散热片等电子器件等。
附图说明
图1是本发明的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料的显微结构照片。浅色部分为Ti3AlC2增强相，深色部分为Al基合金。
图2是本发明的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料压缩断口照片。
具体实施方式
实施方式一
将Al基合金粉装入模具中，预压60MPa，将其压制成Al基合金坯体。在刚玉坩埚内涂抹氮化硼，装入预压好的Al基合金坯体，将坩埚装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按10℃/min的升温速率，将炉温升至700℃，保温10min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Al基合金锭。将孔隙率为20％的多孔Ti3AlC2预制体置于刚玉坩埚内，在其上方放入预先烧制的Al基合金锭，在其周边铺满Al基合金粉。将刚玉坩埚放入真空烧结炉中，在真空下，以10℃/min的升温速率升温至750℃。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50min，之后随炉冷却，待炉温降低到80℃后取出，即得到三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料。
将上述的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料，加工成直径为5mm，长度为8mm的圆柱体，在万能试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其压缩屈服强度为380MPa，压缩强度为395MPa，最大断裂塑性应变为6.5％；测得该样品的维氏硬度为2.5GPa。
实施方式二
将Al基合金粉装入模具中，预压70MPa，将其压制成Al基合金坯体。在刚玉坩埚内涂抹氮化硼，装入预压好的Al基合金坯体，将坩埚装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按15℃/min的升温速率，将炉温升至750℃，保温15min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Al基合金锭。将孔隙率为40％的多孔Ti3AlC2预制体置于刚玉坩埚内，在其上方放入预先烧制的Al基合金锭，在其周边铺满Al基合金粉。将刚玉坩埚放入真空烧结炉中，在真空下，以15℃/min的升温速率升温至850℃。在保温开始20min时，停止抽真空，同时往炉内通入氩气，气压0.5Bar，保温时间70min，之后随炉冷却，待炉温降低到80℃后取出，即得到三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料。
将上述的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料，加工成直径为5mm，长度为8mm的圆柱体，在万能试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为421MPa，压缩强度为482MPa，最大断裂塑性应变为7.5％；测得该样品的维氏硬度为2.21GPa。
实施方式三
将Al基合金粉装入模具中，预压75MPa，将其压制成Al基合金坯体。在刚玉坩埚内涂抹氮化硼，装入预压好的Al基合金坯体，将坩埚装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按20℃/min的升温速率，将炉温升至900℃，保温30min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Al基合金锭。将孔隙率为54％的多孔Ti3AlC2预制体置于刚玉坩埚内，在其上方放入预先烧制的Al基合金锭，在其周边铺满Al基合金粉。将刚玉坩埚放入真空烧结炉中，在真空下，以20℃/min的升温速率升温至950℃。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，之后随炉冷却，待炉温降低到80℃后取出，即得到三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料。
将上述的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料，加工成直径为5mm，长度为8mm的圆柱体，在万能试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为361MPa，压缩强度为401MPa，最大断裂塑性应变为11.5％；测得该样品的维氏硬度为1.52GPa。
实施方式四
将Al基合金粉装入模具中，预压120MPa，将其压制成Al基合金坯体。在刚玉坩埚内涂抹氮化硼，装入预压好的Al基合金坯体，将坩埚装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按30℃/min的升温速率，将炉温升至800℃，保温20min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Al基合金锭。将孔隙率为66％的多孔Ti3AlC2预制体置于刚玉坩埚内，在其上方放入预先烧制的Al基合金锭，在其周边铺满Al基合金粉。将刚玉坩埚放入真空烧结炉中，在真空下，以30℃/min的升温速率升温至1100℃。在保温开始25min时，停止抽真空，同时往炉内通入氩气，气压0.5Bar，保温时间60min，之后随炉冷却，待炉温降低到80℃后取出，即得到三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料。
将上述的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料，加工成直径为5mm，长度为8mm的圆柱体，在万能试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为330MPa，压缩强度为360MPa，最大断裂塑性应变为13.8％；测得该样品的维氏硬度为1.32GPa。
实施方式五
将Al基合金粉装入模具中，预压100MPa，将其压制成Al基合金坯体。在刚玉坩埚内涂抹氮化硼，装入预压好的Al基合金坯体，将坩埚装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按25℃/min的升温速率，将炉温升至850℃，保温25min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Al基合金锭。将孔隙率为80％的多孔Ti3AlC2预制体置于刚玉坩埚内，在其上方放入预先烧制的Al基合金锭，在其周边铺满Al基合金粉。将刚玉坩埚放入真空烧结炉中，在真空下，以25℃/min的升温速率升温至1000℃。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120min，之后随炉冷却，待炉温降低到80℃后取出，即得到三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料。
将上述的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料，加工成直径为5mm，长度为8mm的圆柱体，在万能试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为313MPa，压缩强度为330MPa，最大断裂塑性应变为16.5％；测得该样品的维氏硬度为1.06GPa。
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)

1.一种三维连续网络结构Ti3AlC2/Al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Al基合金。
2.如权利要求1所述的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料，其特征在于:所述Ti3AlC2/Al基复合材料的显微结构中陶瓷相Ti3AlC2与金属相Al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.如权利要求1-2任一权利要求所述的三维连续网络结构Ti3AlC2/Al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，将Al基合金粉装入模具中，预压60～120MPa，将其压制成Al基合金坯体。
步骤2，在刚玉坩埚内涂抹氮化硼，装入预压好的Al基合金坯体，将坩埚装入真空烧结炉内，在氩气保护下，按10～30℃/min的升温速率，将炉温升至700～900℃，保温10～30min，待炉温降低到80℃后，开炉取出Al基合金锭。
步骤3，将多孔Ti3AlC2预制体(孔隙率为20～80％)置于刚玉坩埚内，在其上方放入预先烧制的Al基合金锭，在其周边铺满Al基合金粉。
步骤4，将刚玉坩埚放入真空烧结炉中，在真空下，以10～30℃/min的升温速率升至750～1100℃。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，之后随炉冷却，待炉温降至80℃后取出，即得到三维连续网络结构Ti3AlC2/Al基复合材料。
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