CN109112331B - 一种原位合成高性能Fe3Al-TiC复合材料的方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位合成高性能Fe3Al‑TiC复合材料的方法及其应用。该方法包括以下步骤：步骤1，选取5‑10μm的Fe3Al粉，TiH2粉和C粉，且各自的纯度均高于99.0％；步骤2，按照需要称取的Fe3Al粉，TiH2粉和C粉，于行星式球磨机中，抽真空充氩气，混合4‑8小时后，将合金粉末装入墨模具；步骤3，将装有合金粉末的石墨模具放入真空热压烧结炉中烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，即得TiC质量分数在5‑50％的Fe3Al‑TiC复合材料。与现有技术相比，本发明材料力学性能好，耐磨损能力强，且制备方法简单，适合作为制备机械机器的材料。

Description

一种原位合成高性能Fe3Al-TiC复合材料的方法及其应用
技术领域
本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种原位合成高性能Fe3Al-TiC复合材料的方法及其应用。
背景技术
众所周知， Fe和Al是世界上分布最广泛的金属，其原料成本低（不含或少含战略性元素如Ni和Cr等，仅为不锈钢的1/3）、资源丰富，满足经济建设对摩擦材料结构和功能以及低成本的综合性能要求。因此，在资源环境压力日益加大的情況下，研究 Fe-Al复合材料具有重要的理论意义和应用价值。近几十年来，通过成分调节、组织结构控制和先进加工技术等手段，制约Fe-Al基合金应用的室温脆性等问题基本得到解决。国外已完成一些Fe-Al合金零部件的考核和实用化工作，美国Philip Morris研发中心已采用热轧等技术制备出厚度为0.20mm的商用薄板。美国ORNL实验室（橡树岭国家实验室）开发研制出一系列Fe-(30-40)Al-0.2Mo-0.05Zr-0.1C-0.01B%为基体的复合材料。另外利用真空感应熔炼，国外已成功获得了吨位级别的Fe3Al金属间化合物铸锭，并成功对其进行了锻造开坯，利用后续热加工获得了各种型材。因为Fe3Al具有重量轻，比强度高，成本低（不含有战略性元素），热膨胀系数低，良好的热稳定性和导热、导电性能，以及耐磨性能和高温条件下抗氧化性、抗腐蚀和硫蚀等一系列优点，而且原材料资源丰富、价格低，因而制备和生产Fe3Al基复合材料更经济且易于推广和应用，因此在近年来得到了普遍重视，有望成为新型的结构材料。
但是Fe3Al材料较差的强度、低的室温韧性和高温抗蠕变性质严重影响了Fe3Al作为工程材料的应用。目前的一些研究表明通过陶瓷增强可以弥补合金的高温强度低的不足，但是随着加入的陶瓷颗粒含量的增多又使得材料的室温塑性降低。
CN02147653.5公开了一种原位合成Fe3AlC0.5硬质相增强的FeAl基金属间化合物复合材料的制备方法。所制备的材料纯度高、组织致密、粒度小等优点并且由于硬质相的Fe3AlC0.5的添加，其强度、抗蠕变性，可加工性和抗环境氢脆得到了提高。CN101818271A公开了一种通过热压烧结的方法制备Fe3Al/Al2O3纳米复相陶瓷的制备方法。具体步骤是将Fe3Al含量为5-20%的粉末与Al2O3混合均匀后，置于真空热压烧结炉中，烧结温度1250℃~1400℃，压力2.5t，烧结时间为15~60分钟的条件下烧结成型，获得性能良好的复合材料。但是国外的Furushima等通过外加WC增强相制备的WC-FeAl复合材料，该材料硬度得到很大提高，但抗弯强度却有所降低。因此从设计层面来说，外加高含量增强相是提高抗磨损性能的前提，但其在基体中主要以颗粒和团聚状形态分布，往往导致强度下降。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种原位合成高性能Fe3Al-TiC复合材料的方法及其应用，TiC在金属基体内形核、自发长大，因此，TiC表面无污染，基体和TiC的相容性良好，界面结合强度高，致密性好，材料的力学性能优异。
所谓原位合成技术，即在一定条件，通过化学反应,在基体内原位生成一种或几种增强相,从而达到强化的目的。这种方法可得到增强颗粒尺寸细小、热力学性能稳定、界面无污染、结合强度高的复合材料，是一种有前途的颗粒增强复合材料制造工艺。
一种原位合成高性能Fe3Al-TiC复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤1，选取5-10µm的Fe3Al粉，TiH2粉和C粉，且各自的纯度均高于99.0%；
步骤2，按照需要称取的Fe3Al粉，TiH2粉和C粉，于行星式球磨机中，抽真空充氩气，混合4-8小时后，将合金粉末装入石墨模具；
步骤3，将装有合金粉末的石墨模具放入真空热压烧结炉中烧结，烧结过程中TiH2+C→TiC+H2，烧结完成后，随炉冷却至室温，即得TiC质量分数在5-50%的Fe3Al-TiC复合材料。
作为改进的是，步骤1中Fe3Al合金粉末的粒径为10µm。
作为改进的是，步骤2中球磨机的转速为150-360rpm，球料比为15-20：1-3。
进一步改进的是，步骤2中球磨时球料比为15：1。
作为改进的是，步骤3中烧结分成两步进行，第一阶段烧结温度为650-700℃，保温30-40min，继续升温至1200-1350℃进行第二阶段烧结，烧结压力为30-45MPa，烧结10-25min。
进一步改进的是，步骤3中第一阶段烧结真空度为10-3-10-2Pa，升温速度为10℃/min。
上述原位合成高性能Fe3Al-TiC复合材料的方法制备的复合材料作为机械仪器的材料，提高了机器的耐磨性能。
有益效果：
与现有技术相比，本发明原位合成的Fe3Al-TiC复合材料致密度高达99%以上，力学性能优异，抗磨损能力好，且离散度低于10%，材料性能的重现性好。另外，制备方法简单，有效改善了Fe3Al基复合材料的不足，拓宽了Fe3Al在摩擦磨损等工业领域上的应用。
附图说明
图1为本发明原位合成制备的Fe3Al-TiC复合材料的抗压强度-应变曲线图；
图2为本发明原位合成制备的Fe3Al-TiC复合材料的抗弯强度-挠度曲线图。
具体实施方法
实施例1
分别称取质量百分数Fe3Al粉末（100 g），商品TiH2粉末4.4-6.4g，C粉1.1-2.1g装入密封罐中，抽真空充氩气，混合4小时，其转速为200r/min，球料比为15:1，得到Fe3Al-5%TiC复合粉末。将该合金粉末装入涂有BN的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10-3-10-2Pa，升温速率为10℃/min，烧结温度为650℃，保温时间30min（使得反应过程中产生的氢气放出，不影响后面烧结过程的真空度及材料的致密性），继续升温至1200℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为20min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的Fe3Al-5%TiC块体复合材料。
对致密的Fe3Al-5%TiC块体复合材料进行测试，维氏硬度可4.05GPa，抗压强度达到1520MPa，抗弯强度1502MPa，致密度达到99.0%。
实施例2
分别称取质量百分数Fe3Al粉末（100g），商品TiH2粉末14.7-16.0g，C粉3.5-4.5g装入密封罐中，抽真空充氩气，混合4小时，其转速为200r/min，球料比为15:1，得到Fe3Al-15%TiC复合粉末。将该合金粉末装入涂有BN的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10-3-10-2Pa，升温速率为10℃/min，烧结温度为650℃，保温时间30min（使得反应过程中产生的氢气放出，不影响后面烧结过程的真空度及材料的致密性），继续升温至1250℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为20min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的Fe3Al-15%TiC块体复合材料。
对致密的Fe3Al-15%TiC块体复合材料进行测试，维氏硬度可达4.76GPa，抗压强度达到1846MPa，抗弯强度1942MPa，致密度达到99.3%。其中，压缩和弯曲情况分别如图1和图2所示，从图1中可以看出原位TiC的生成，显著提高了复合材料的抗压强度。且该方法制备的复合材料的压缩强度较其他方法高出很多；从图2中可以看出，原位TiC的生成导致复合材料的抗弯强度有所增加，15%TiC复合材料的抗弯强度达到1942 MPa，随着TiC的增加35%和50%复合材料的抗弯强度明显降低。尽管弯曲强度有所降低但是仍然较同样的材料的抗弯能力高出较多。
实施例3
分别称取质量百分数Fe3Al粉末（100 g），商品TiH2粉末44.9-46.0g，C粉10.8-11.8g装入密封罐中，抽真空充氩气，混合6小时，其转速为250r/min，球料比为15:1，得到Fe3Al-35%TiC复合粉末。将该合金粉末装入涂有BN的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10-3-10-2Pa，升温速率为10℃/min，烧结温度为650℃，保温时间30min（使得反应过程中产生的氢气放出，不影响后面烧结过程的真空度及材料的致密性），继续升温至1300℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为20min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的Fe3Al-35%TiC块体复合材料。
对致密的Fe3Al-15%TiC块体复合材料进行测试，维氏硬度可5.58GPa，抗压强度达到2003MPa，抗弯强度1052MPa，致密度达到99.0%。
实施例4
分别称取质量百分数Fe3Al粉末（100 g），商品TiH2粉末83.3-85.0g，C粉20.1-22.5g装入密封罐中，抽真空充氩气，混合8小时，其转速为300r/min，球料比为15:1，得到Fe3Al-50%TiC复合粉末。将该合金粉末装入涂有BN的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10-3~10-2Pa，升温速率为10℃/min，烧结温度为700℃，保温时间40min（使得反应过程中产生的氢气放出，不影响后面烧结过程的真空度及材料的致密性），继续升温至1350℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为20min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密Fe3Al-50%TiC块体复合材料。
对致密的Fe3Al-15%TiC块体复合材料进行测试，维氏硬度可达9.89GPa，抗压强度达到2571MPa，抗弯强度599MPa，致密度达到99.0%。
对比例1
采用真空热压烧结制备的纯Fe3Al合金材料的维氏硬度只有3.49GPa, 抗压强度达到1352MPa，抗弯强度1400MPa。
通过对比可知，原位生成的TiC增强的Fe3Al-TiC复合材料的硬度和压缩强度远远高于未增强的纯Fe3Al合金，尤其是原位合成Fe3Al-15%TiC复合材料的综合力学性能更为优异。
对比例2
通过外加法添加的TiC陶瓷颗粒增强Fe3Al合金块体材料，如外加法制备的Fe3Al-15%TiC复合材料的维氏硬度为4.1 GPa，抗压强度达到1600MPa左右，抗弯强度1400MPa左右。通过与原位合成法制备的Fe3Al-15%TiC复合材料对比，可知原位合成法制备的复合材料的硬度高出外加法制备的复合材料的0.61GPa，抗压强度高出246MPa，抗弯强度高出542MPa。
综上所述，本发明通过原位合成法所制备的Fe3Al-TiC复合材料的致密度极高，致密度达到99%以上，所制备的复合材料的硬度、压缩强度和弯曲强度和磨损率均高于外加TiC的合成方法所制备材料的力学性能，且所制备材料的力学性能已接近工业应用对材料的要求。

Claims (5)

1.一种原位合成高性能Fe3Al-TiC复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选取5-10µm的Fe3Al粉，TiH2粉和C粉，且各自的纯度均高于99.0%；步骤2，按照需要称取的Fe3Al粉，TiH2粉和C粉，于行星式球磨机中，抽真空充氩气，混合4-8小时后，将合金粉末装入石墨模具；步骤3，将装有合金粉末的石墨模具放入真空热压烧结炉中烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，即得TiC质量分数在5-50%的Fe3Al-TiC复合材料；，步骤3中烧结分成两步进行，第一阶段烧结温度为650-700℃，保温30-40min，继续升温至1200-1350℃进行第二阶段烧结，烧结压力为30-45MPa，烧结10-25min，骤3中第一阶段烧结真空度为10-3-10-2Pa，升温速度为10℃/min。
2.根据权利要求1所述的一种原位合成高性能Fe3Al-TiC复合材料的方法，其特征在于，步骤1中Fe3Al合金粉末的粒径为10µm。
3.根据权利要求1所述的一种原位合成高性能Fe3Al-TiC复合材料的方法，其特征在于，步骤2中球磨机的转速为150-360rpm，球料比为15-20：1-3。
4.根据权利要求3所述的一种原位合成高性能Fe3Al-TiC复合材料的方法，其特征在于，步骤2中球磨时球料比为15：1。
5.基于权利要求1合成的一种原位合成高性能Fe3Al-TiC复合材料在制备机械仪器上的应用。
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US9187810B2 (en) * 2008-12-16 2015-11-17 Sandvik Intellectual Property Ab Cermet body and a method of making a cermet body
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Denomination of invention: A method for in-situ synthesis of high performance Fe3al TiC Composites and its application

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