CN108251705A - 一种TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料及其热压制备方法 - Google Patents

一种TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料及其热压制备方法 Download PDF

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Abstract

一种TiCx‑Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料及其热压制备方法。该材料中Ti3AlC2体积含量为5～50vol％，其余为Ni基合金。该材料的显微结构为原位生成的亚微米TiCx及Ni3(Al,Ti)颗粒，均匀分布于Ni基体中，且增强相与金属基体相润湿性良好，界面结合牢固。该材料的制备方法：Ti3AlC2与Ni基合金粉通过不同的体积配比进行配料、混料。将装有原料的热压模具放入真空热压炉中，氩气保护，以10℃/min的升温速率升温至1200℃，并保温30min使其充分反应；以10～20℃/min降温至1020℃，保温20min，同时加压至25～30MPa使其致密化；最后随炉冷却至500℃卸压，降温至80℃取出样品，即得到TiCx‑Ni3(Al,Ti)/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TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料及其热压制备方法
技术领域
本发明涉及一种TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料及其热压制备方法。
背景技术
镍及其合金材料由于具有良好的化学稳定性、抗氧化、耐腐蚀等特性，而被广泛应用于航空航天、能源动力、交通运输、石油化工以及核能等工程应用领域。近年来，为了进一步提高Ni基材料的室温及高温力学性能以及改善其摩擦学特性，很多研究人员利用陶瓷颗粒(TiC、WC、SiC、TiB2)增强Ni基复合材料。众所周知，复合材料中增强相的体积分数、尺寸、在基体中的分布、自身的物理化学特性以及与基体材料的润湿性对复合材料的性能起着至关重要的作用。Ni基复合材料中陶瓷颗粒的引入主要有外部添加以及原位自生两种方式。对于第一种方式，由于外加的传统陶瓷颗粒在Ni基体中尺寸较大且与Ni基体的润湿性较差，阻碍基体位错运动的能力有限，同时陶瓷颗粒与Ni基体之间存在热失配，在界面处产生应力集中，因而在载荷作用下界面处容易脱离，造成材料失效。而原位自生(例如：TiC)陶瓷颗粒增强Ni基复合材料虽然增强颗粒尺寸较小且在基体中分布比较均匀，然而在基体中容易形成金属间化合物(例如在Ni-Ti-C系统中容易形成Ni3Ti和Ni2.6Ti1,3)，这种硬而脆的金属间化合物不仅对材料性能提升作用很小，而且在疲劳载荷的作用下，其在基体中作为裂纹源首先开裂，造成材料失效(参考文献：S.Ctjong，Mater.Sci.Eng.R,29(2000)49-113)。另一方面，镍基高温合金是目前航空发动机中应用最广的高温合金材料，其中共格的γˊ相(Ni3Al或者Ni3(Al,Ti))的第二相沉淀强化对镍基高温合金(例如：GH145)的性能起着举足轻重的作用。因此，在Ni基复合材料中如果能同时生成与Ni润湿性良好、颗粒细小且分布均匀的陶瓷相以及共格γˊ相，这不仅能够使得复合材料在室温下具有高强度、高硬度、高耐磨性等特性，而且，在高温环境下依然能够表现出优异的力学性能。
Ti3AlC2作为Mn+1AXn相新型陶瓷材料中的一员，具有与石墨相似的层状结构，属于六方晶系(a＝0.3075nm,c＝1.8578nm)，Ti-C链组成的两个共棱的Ti6C八面体被Al原子层分割，Ti-C之间以强的共价键和离子键结合，而Al-Ti之间以弱的共价键和金属键结合。因而,Ti3AlC2兼具陶瓷高强度、高模量和金属优良的导电导热及机械加工特性。W.Barsoum在2000年首次报道了Ti3AlC2的拓扑转变的特性，即通过Al元素的解离，六方的Ti3AlC2转变为非化学计量比的TiC(也称之为TiCx)，而这种TiCx颗粒不仅具有TiC高硬度和高模量等特性，而且与金属材料有着更加良好的润湿性(参考文献：M.W.Barsoum，Prog.Solid StateChem.28(2000)201–281)。这表明Ti3AlC2可以作为一种有效的先驱体，利用其原位转化来形成超细颗粒的TiCx增强体。因此若在Ni基体中加入Ti3AlC2材料，高温下Al-Ti原子从Ti3AlC2中脱离并与Ni发生反应,促使亚微米Ni3(Al,Ti)颗粒在Ni基体中沉淀析出，这将原位生成亚微米TiCx和Ni3(Al,Ti)，实现双相协同强化Ni基复合材料的效果。但是，目前为止还没有利用原位反应法双相增强Ni基复合材料的报道。
与传统的陶瓷颗粒增强金属基复合材料相比，TiCx和Ni3(Al,Ti)双相强化Ni基合金复合材料具有更为优异的室温及高温力学性能、减振性能和热学性能，同时Ni基合金中由于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，降低成本，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Ti3AlC2(体积分数为5～50％)和Ni基合金粉为原料制成的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料及其热压制备方法。
本发明的技术方案：
本发明的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，其特征在于：
(1)以Ti3AlC2粉和镍基合金粉为初始原料，Ti3AlC2粉的体积含量为5-50vol％，其余为Ni基合金粉。
(2)其反应机理如下：高温下熔融的Ni基合金诱导Ti3AlC2发生分解，Al原子与部分Ti原子从六方的Ti3AlC2层间结构中解离出来，留下了非化学计量比的亚微米TiC颗粒(称之为：TiCx)，Al原子与Ti原子进一步与Ni发生反应生成第二相Ni3(Al,Ti)。
(3)其显微结构如下：亚微米的陶瓷硬质颗粒TiCx与第二相Ni3(Al,Ti)颗粒均匀分布于Ni基合金基体中，且增强相与金属基体相润湿性良好，界面结合牢固。
本发明的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料的热压制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1，配料：将实验室自制的Ti3AlC2粉与Ni基合金粉按以下体积比配料：Ti3AlC2:5～50vol.％；Ni基合金粉：95～50vol.％；
步骤2，混料：将步骤1中的配料采用球料比为5:1；将配制之后的原料粉体及玛瑙球倒入聚四氟乙烯的球磨罐中，然后将球磨罐置于滚筒球磨机上进行混料，混料时间为5～10h，之后取出原料粉；
步骤3,预压成型：将一定质量的混合粉料装入涂有氮化硼的热压石墨模具内，并施加8MPa的压强，使模具中的粉料压实成型；
步骤4，热压烧结：将预压后的热压模具放入真空热压炉中，在真空条件下，以3～6℃/min的升温速率升温至180～200℃。在180～200℃保温5～10min,充入氩气使气压达到0.5～0.7bar。然后以10～30℃/min的升温速率升温至1100～1400℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的样品施加20～30MPa的压强，保持温度和压强20～30min以使其致密化；最后随炉冷却至500℃卸压，降温至80℃之后取出样品，即得到TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料。
本发明所具有的有益效果：
本发明的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，其室温弯曲强度最高可以达到884MPa，而且在一定温度范围内其弯曲强度随着温度的升高而增加。在700℃时，弯曲强度最高可以达到1020MPa。而在800℃时，其压缩强度可达700MPa，最大伸长率可达13.7％，远高于一般的陶瓷增强Ni基复合材料。其维氏硬度和断裂韧性依初始Ti3AlC2含量的不同而不同。本发明的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，其硬度最高可达10.8GPa，断裂韧性可达13.84MPa·m1/2；对于本发明的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料的应用，应选取适当体积分数的Ti3AlC2和Ni进行热压烧结。发明的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料及其热压制备方法，其主要的优势在于工艺简单，操作方便，适合制造需要高强度、高耐磨、耐高温的零件。本发明的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料可广泛用于航空航天、军工、机械制造及核能等领域，例如用于制造高速铁路的制动盘、机械行业中的耐磨轴承、涡轮叶片及切削刀具等。
附图说明
图1是本发明的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料的显微结构照片。
图2是本发明的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料弯曲断口的二次电子显微(SEM)照片。
具体的实施方式
实施方式1
将钛铝碳粉与Ni合金粉按照5:95的体积比配料，称取钛铝碳2.43g，Ni合金粉89.262g，放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨10h，并将混合粉料全部放入涂有氮化硼的石墨热压模具中；在5MPa压强下预压成型后将模具放入热压炉中，以10℃/min的速率升温至1200℃，并保温30min；以15℃/min的速率降温至900℃，在25MPa的压强下保温保压30min，随炉冷却到500℃卸压，80℃以下开炉取出样品。
将上述的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，加工成3mm×4mm×36mm的弯曲试样和2.5mm×5mm×26mm的断裂韧性试样，在WDW-100E万能试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其室温弯曲强度为584MPa，600℃时的弯曲强度为610MPa；测得维氏硬度为6.05GPa，断裂韧性为7.9MPa·m1/2。
实施方式2
将钛铝碳粉与Ni基合金粉按照10:90的体积比配料，称取钛铝碳4.59g，Ni合金粉84.564g，放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨10h，并将混合粉料全部放入涂有氮化硼的石墨热压模具中；在5MPa压强下预压成型后将模具放入热压炉中，以10℃/min的速率升温至1200℃，保温30min；以15℃/min的速率降温至920℃，在30MPa的压强下保温保压30min，随炉冷却到500℃卸压，80℃以下开炉取出样品。
将上述的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，加工成3mm×4mm×36mm的弯曲试样和2.5mm×5mm×26mm的断裂韧性试样，在WDW-100E万能试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其室温弯曲强度为684MPa，600℃时的弯曲强度为720MPa；测得维氏硬度为7.4GPa，断裂韧性为10.2MPa·m1/2。
实施方式3
将钛铝碳粉与Ni合金粉按照20:80的体积比配料，称取钛铝碳9.18g，Ni合金粉75.168g，放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨10h，并将混合粉料全部放入涂有氮化硼的石墨热压模具中；在5MPa压强下预压成型后将模具放入热压炉中，以10℃/min的速率升温至1200℃，保温30min；以15℃/min的速率降温至950℃，在30MPa的压强下保温保压30min，随炉冷却到500℃卸压，80℃以下开炉取出样品。
将上述的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，加工成3mm×4mm×36mm的弯曲试样和2.5mm×5mm×26mm的断裂韧性试样，在WDW-100E万能试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其室温弯曲强度为830MPa，600℃时的弯曲强度为850MPa；测得维氏硬度为9.3GPa，断裂韧性为13.84MPa·m1/2。
实施方式4
将钛铝碳粉与Ni合金粉按照30:70的体积比配料，称取钛铝碳13.77g，Ni合金粉65.772g，放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨10h，并将混合粉料全部放入涂有氮化硼的石墨热压模具；在5MPa压强下预压成型后将模具放入热压炉中，以10℃/min的速率升温至1200℃，保温30min；以15℃/min的速率降温至980℃，在30MPa的压强下保温保压30min，随炉冷却到500℃卸压，80℃以下开炉取出样品。
将上述的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，加工成3mm×4mm×36mm的弯曲试样和2.5mm×5mm×26mm的断裂韧性试样，在WDW-100E万能试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其室温弯曲强度为736MPa，600℃时的弯曲强度为754MPa；测得维氏硬度为9.5GPa，断裂韧性为13.2MPa·m1/2。
实施方式5
将钛铝碳粉与Ni合金粉按照40:60的体积比配料，称取钛铝碳18.36g，Ni合金粉56.376g，放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨10h，并将混合粉料全部放入涂有氮化硼的石墨热压模具中；在5MPa压强下预压成型后将模具放入热压炉中，以10℃/min的速率升温至1200℃，保温30min；以15℃/min的速率降温至1020℃，在30MPa的压强下保温保压30min，随炉冷却到500℃卸压，80℃以下开炉取出样品。
将上述的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，加工成3mm×4mm×36mm的弯曲试样和2.5mm×5mm×26mm的断裂韧性试样，在WDW-100E万能试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其室温弯曲强度为884MPa，700℃时的弯曲强度为1020MPa；测得维氏硬度为10.05GPa，断裂韧性为12.51MPa·m1/2。
实施方式6
将钛铝碳粉与Ni合金粉按照50:50的体积比配料，称取钛铝碳22.95g，Ni合金粉46.98g，放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨10h，并将混合粉料全部放入涂有氮化硼的石墨热压模具中；在5MPa压强下预压成型后将模具放入热压炉中，以10℃/min的速率升温至1200℃，保温30min；以15℃/min的速率降温至1040℃，在30MPa的压强下保温保压30min，随炉冷却到500℃卸压，80℃以下开炉取出样品。
将上述的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，加工成3mm×4mm×36mm的弯曲试样和2.5mm×5mm×26mm的断裂韧性试样，在WDW-100E万能试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其室温弯曲强度为820MPa，600℃时的弯曲强度为750MPa；测得维氏硬度为9.5GPa，断裂韧性为11.8MPa·m1/2。
上述实施方式使用的Ti3AlC2陶瓷粉体为专利申请号：ZL200510011650.7，发明名称：“一种钛铝碳化物粉料及其以锡为反应助剂的合成方法”所制备的高纯Ti3AlC2陶瓷粉体。

Claims (2)

1.一种TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料，其特征在于：
(1)以Ti3AlC2粉和镍基合金粉为初始原料，Ti3AlC2粉的体积含量为5-50vol％，其余为Ni基合金粉。
(2)其反应机理如下：高温下熔融的Ni基合金诱导Ti3AlC2发生分解，Al原子与部分Ti原子从六方的Ti3AlC2层间结构中解离出来，留下了非化学计量比的亚微米TiC颗粒(称之为：TiCx)，Al原子与Ti原子进一步与Ni发生反应生成第二相Ni3(Al,Ti)。
(3)其显微结构如下：亚微米的陶瓷硬质颗粒TiCx与第二相Ni3(Al,Ti)颗粒均匀分布于Ni基合金基体中，且增强相与金属基体相润湿性良好，界面结合牢固。
2.一种如权利要求1所述的TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料的热压制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1，配料：将实验室自制的Ti3AlC2粉与Ni基合金粉按以下体积比配料：
Ti3AlC2:5～50vol.％；Ni基合金粉：95～50vol.％；
步骤2，混料：将步骤1中的配料采用球料比为5:1；将配制之后的原料粉体及玛瑙球倒入聚四氟乙烯的球磨罐中，然后将球磨罐置于滚筒球磨机上进行混料，混料时间为5～10h，之后取出原料粉；
步骤3,预压成型：将一定质量的混合粉料装入涂有氮化硼的热压石墨模具内，并施加8MPa的压强，使模具中的粉料压实成型；
步骤4，热压烧结：将预压后的热压模具放入真空热压炉中，在真空条件下，以3～6℃/min的升温速率升温至180～200℃。在180～200℃保温5～10min,充入氩气使气压达到0.5～0.7bar。然后以10～30℃/min的升温速率升温至1100～1400℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的样品施加20～30MPa的压强，保持温度和压强20～30min以使其致密化；最后随炉冷却至500℃卸压，降温至80℃之后取出样品，即得到TiCx-Ni3(Al,Ti)/Ni基复合材料。
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