CN108517429B - 一种Ti2AlC增强铜基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种Ti2AlC增强铜基复合材料的制备方法，它涉及一种铜基复合材料及其制备方法。解决了铜基复合材料脆性大、导电性能差、摩擦系数高的缺点。一种Ti2AlC增强铜基复合材料的制备方法，主要包括两大步骤：一、采用粉末冶金的方法制备多孔Ti2AlC坯体。二、采用熔渗技术，将纯铜熔体挤压进入多孔Ti2AlC坯体中，制备出Ti2AlC增强铜基复合材料。该发明可以制备具有优异的导电性和自润滑效果的铜基复合材料。

Description

一种Ti2AlC增强铜基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种Ti2AlC增强铜基复合材料的制备方法。
背景技术
铜基复合材料，由于具有良好的导电率，在电极材料、电刷材料、触头材料以及高铁用受电弓滑板材料领域具有广泛的应用前景。然而常规铜基复合材料由于所添加陶瓷颗粒不导电、摩擦系数高等缺点，严重影响了陶瓷体积分数的添加，进一步影响了铜基复合材料的使用和性能的提升。此外，陶瓷颗粒的添加导致铜基复合材料脆性增加，不利于后续的加工成型。Ti2AlC材料具有优良的耐高温、导电、导热、自润滑、抗热震等性能，同时具有良好的可加工性，成为具有优异导电性能的备用材料。
申请号为201210569561.4，发明名称为《一种Cu-Ti2 AlC功能梯度材料及其制备方法》的发明专利，公开了一种Cu-Ti2AlC功能梯度材料的制备方法，所制备的梯度材料一侧为纯Cu或主要成分为Cu的复合材料，另一侧为纯Ti2AlC或主要成分为Ti2AlC的复合材料，中间层数为1~4层，随厚度方向，Cu与Ti2AlC的含量呈梯度变化，并伴随性能逐渐变化。沿富Cu方向到富Ti2AlC方向，材料硬度、强度显著提高，抗氧化以及抗高温性能提高，耐磨损性能以及弹性模量都逐渐提高；沿富Ti2AlC方向到富Cu方向，韧性、导电率、导热率都得到显著提高。材料对于满足不同接触面具备不同使用性能的特殊环境具有重要意义。该材料是通过以Cu与Ti2AlC粉末为原料，均匀混合后通过分层装料后在一定气氛下采用热压烧结制备。烧结温度为800~1000℃，升温速率为8~20℃/min，压力为20~40MPa，保温0.5~3小时。本发明采用热压烧结法，所制备的梯度材料致密度高，性能优异，具有良好的产业化前景。该方法制备的是梯度材料，也就是随着厚度的增加，Cu或者TiAlC含量呈梯度增加或者减少；另外该方法使用的是纯Ti2AlC与纯Cu粉混合制备。
申请号为201710232463.4，发明名称为《高强度高阻尼Ti2AlC-Mg基复合材料及其铸造制备方法》，提供了一种高强度高阻尼Ti2AlC-Mg基复合材料，该材料中Ti2AlC的体积含量为5-20vol%,其余为Mg基合金。该材料的显微结构为陶瓷相Ti2AlC与金属相Mg基合金各自呈三维空间连续分布，其中陶瓷相Ti2AlC颗粒分布在Mg基体晶界处，原位拉伸试验表明，二者界面结合牢固，裂纹萌生在Ti2AlC晶粒中，而不是两相的界面处。与纯Mg合金相比，该材料具有更高的强度、更高的阻尼和更好的耐磨性等显著特点，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。该发明专利是通过将Mg合金熔炼后添加纯的Ti2AlC制备复合材料，也就是采用熔铸法以及外加Ti2AlC的方法制备的，其所获得的材料并非多孔材料。
发明内容
本发明为了解决目前铜基复合材料脆性大、导电性能差、摩擦系数高等问题，提供了一种Ti2AlC增强铜基复合材料的制备方法。
本发明由如下技术方案实现的：一种Ti2AlC增强铜基复合材料制备方法，其特征在于：采用粉末烧结的方法制备具有通孔结构的多孔Ti2AlC坯体，然后采用熔渗的方法将熔融的纯铜熔体渗入多孔Ti2AlC坯体中，制备成Ti2AlC增强铜基复合材料。
具体步骤为：
（1）坯体的制备：将Ti粉、Al粉以及Al4C3粉按照原子比为6：1：1的比例在V型混料机上混料，混料时间为2h，转速300r/min，混好的粉体放入模具中在400T压力机上压制，压制压力为200MPa-500MPa，保压20-30min，自动降压，制备成预制块坯体；
（2）多孔Ti2AlC坯体的制备：制备好的预制块坯体放入真空烧结炉内进行两段烧结， 30℃/min的升温速率快速升温到800℃-900℃保温1-2h，以10-20℃/min的升温速度升温到1300℃-1400℃之间，保温5-7h，随炉自然冷却到室温，制备成多孔Ti2AlC坯体；
（3）将步骤2中制备的多孔Ti2AlC坯体及500g铜块放于石墨模具内，在氩气保护，温度为1150-1200℃的热压烧结炉内进行熔渗处理，处理时间4-6个小时，压力为500-600MPa。
本发明的特色之处：1、对比其他工艺，本发明添加Al4C3粉，而不是添加石墨，碳粉，碳纳米管等材料，提高了混料的均匀性。2、相比与其他制备工艺，本发明首先在800-900℃进行保温，使Al元素发生偏扩散，在kendall效应作用下，形成连通的孔隙，形成Ti-Al金属间化合物，然后在1300-1400保温，促使Al4C3粉发生分解，并与Ti元素和Ti-Al金属间化合物快速发生反应，形成Ti2AlC。连通的孔隙有利于后续熔渗过程中铜熔体充分的填充。
要制备的Ti2AlC增强铜基复合材料，关键是制备Ti2AlC材料。本发明通过制备多孔Ti2AlC坯体，然后通过熔渗工艺制备Ti2AlC增强铜基复合材料。为了保证经济性和可实用性，本发明通过传统烧结工艺，利用元素之间的反应处于不同温度区间的特性，利用Ti和Al的偏扩散，易形成大量空隙的特点，制备多孔Ti2AlC坯体。然后将熔融的纯铜熔体通过压力渗入多孔Ti2AlC坯体中，制备出Ti2AlC增强铜基复合材料。所获得的Cu基复合材料，Ti2AlC均匀分布在整个Cu基体上。
具体实施方式
实施例1
1、将Ti粉、Al粉以及Al4C3粉按照原子比为6：1：1的比例在V型混料机上混料，混料时间：2个小时，转速300r/min。将混好的粉体放入模具中在400T压力机上进行压制，压制压力为200MPa，保压30min，自动降压，制备成预制块坯体。
2、将步骤2中的制备好的预制块坯体放入真空烧结炉内进行多段烧结，800℃保温2h，以20℃/min的升温速度升温到1300℃，保温7h，随炉冷却到室温，制备成多孔Ti2AlC坯体。
3、将多孔Ti2AlC坯体及500g铜块放于石墨模具内，在氩气保护，温度为1150℃的热压烧结炉内进行熔渗处理，处理时间6个小时，压力为600MPa。
实施例2
1、将Ti粉、Al粉以及Al4C3粉按照原子比为6：1：1的比例在V型混料机上混料，混料时间：2个小时，转速300r/min。将混好的粉体放入模具中在400T压力机上进行压制，压制压力为300MPa，压力机上进行压制，保压26min，自动降压，制备成预制块坯体。
2、将制备好的预制块坯体放入真空烧结炉内进行多段烧结，850℃保温1.5h，以15℃/min的升温速度升温到1350℃，保温6h，随炉冷却到室温，制备成多孔Ti2AlC坯体。
3、将步骤2中的多孔Ti2AlC坯体及500g铜块放于石墨模具内，在氩气保护，温度为1175℃的热压烧结炉内进行熔渗处理，处理时间5个小时，压力为550MPa。
实施例3
1、将Ti粉、Al粉以及Al4C3粉按照原子比为6：1：1的比例在V型混料机上混料，混料时间：2个小时，转速300r/min。2、将混好的粉体放入模具中在400T压力机上进行压制，压制压力为500MPa，保压20min，自动降压，制备成预制块坯体。
2、将制备好的预制块坯体放入真空烧结炉内进行多段烧结，900℃保温1h，以10℃/min的升温速度升温到1400℃，保温5h，随炉冷却到室温，制备成多孔Ti2AlC坯体。
3、将步骤2中的多孔Ti2AlC坯体及500g铜块放于石墨模具内，在氩气保护，温度为1200℃的热压烧结炉内进行熔渗处理，处理时间4个小时，压力为500MPa。

Claims (1)

1.一种Ti2AlC增强铜基复合材料制备方法，其特征在于：采用粉末烧结的方法制备具有通孔结构的多孔Ti2AlC坯体，然后采用熔渗的方法将熔融的纯铜熔体渗入多孔Ti2AlC坯体中，制备成Ti2AlC增强铜基复合材料；
具体步骤为：
（1）坯体的制备：将Ti粉、Al粉以及Al4C3粉按照原子比为6：1：1的比例在V型混料机上混料，混料时间为2h，转速300r/min，混好的粉体放入模具中在400T压力机上压制，压制压力为200MPa-500MPa，保压20min，自动降压，制备成预制块坯体；
（2）多孔Ti2AlC坯体的制备：制备好的预制块坯体放入真空烧结炉内进行两段烧结， 30℃/min的升温速率快速升温到800℃-900℃保温1-2h，以10-20℃/min的升温速度升温到1300℃-1400℃之间，保温5-7h，随炉自然冷却到室温，制备成多孔Ti2AlC坯体；
（3）将步骤2中制备的多孔Ti2AlC坯体及500g铜块放于石墨模具内，在氩气保护，温度为1150-1200℃的热压烧结炉内进行熔渗处理，处理时间4-6个小时，压力为500-600MPa。
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