CN110819841A - 颗粒增强NiAl基复合材料的原位合成法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种颗粒增强NiAl基复合材料的原位合成法，包括以下步骤：制反应试样；装样：将压坯试样装入反应装置；抽真空；电弧引燃，反应合成，熔化致密成型，出炉：在真空电弧熔炼炉中炉冷后，得到颗粒增强NiAl基复合材料。本发明采用原位反应技术合成颗粒增强NiAl基复合材料，并加热使热爆后的材料熔化致密，由于反应过程短，电弧引发的高热量可有效净化基体，随后熔炼过程提高反应产物致密度以及颗粒分布的均匀性，样品致密度可提高10％‑20％，显微硬度最高可提高30％‑40％，压缩性能提升30％‑40％，大大改善材料的力学性能。

Description

颗粒增强NiAl基复合材料的原位合成法
技术领域
本发明属于合金材料制备技术领域，涉及一种颗粒增强NiAl基复合材料的原位合成法。
背景技术
现有的NiAl基复合材料通常采用自蔓延高温合成法或热压法制备。文献1通过自蔓延高温合成TiC-NiAl复合材料，由于燃烧反应较为剧烈，导致颗粒聚集于基体晶粒交界处，造成试样局部应力集中。尽管采取致密化工艺，但仍有孔洞存在，致密度仅为2.98g/cm3，抗压强度仅为321.7Mpa，压缩性能低。(李军库，兰州理工大学，2009.04.27)。文献2采用热压法制备NiAl合金基原位复合材料，虽然增强体分布较为均匀，但是复合材料不完全致密，孔隙的存在损害了其力学性能，抗压强度最高仅为310.9Mpa，需要二次加工，大大降低了工作效率(鲁玉祥，航空材料学报，1999.6Vol.19，No.2)。
原位合成技术的基本原理是依靠合金成分设计，利用不同元素或物质之间在一定条件下可以发生化学反应的特点，在金属基体内加入能发生化学反应的增强体相(如TiC、TiO2、ZrO2、TiB2和Al2O3等)，经加热后，元素间发生化学反应，在基体内部生成一种或几种陶瓷相颗粒或金属间化合物，生成的新复合材料会具备基体与增强体的诸多特性，可以起到改善单一金属基体性能的目的。使用原位合成法合成复合材料时，生成的增强体都属于内生型增强体(即增强体的形核以及晶粒长大的过程都是在金属基体内部完成的)，因此基体和增强体之间的结合情况，以及相溶性都比较好。由于增强体在基体的内部形成，在形核、晶粒长大等过程中与基体原子会产生相互作用，生成的增强体颗粒尺寸较小；而内生型增强体表面纯净、无污染。
同时，采用原位合成法制备复合材料时，可省去对增强体进行预处理这道工序，简化了制备复合材料的工序，降低了生产、制备成本，而对增强体的预处理是极其复杂的一道工序。克服了传统复合材料制备方法(如喷射成型法、模压铸造、流变铸造和混砂铸造等)烧结技术的工艺温度高、耗能大及成本过高，复合材料中的增强体颗粒尺寸粗大、热力学性能不够稳定、界面结合强度低等诸多致命缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种颗粒增强NiAl基复合材料的原位合成法。该方法采用原位反应技术合成颗粒增强NiAl基复合材料，并加热使热爆后的材料熔化致密，电磁搅拌使增强体颗粒分布更加均匀，显著提高NiAl基体的韧性和强度，解决NiAl金属间的物韧性差、脆性大的不足。实现本发明目的的技术解决方案为：
颗粒增强NiAl基复合材料的原位合成法，包括以下步骤：
(1)制反应试样：根据所选的反应体系和设定的体积分数的要求，将各粉体进行球磨混合，干燥，挤压成坯，制得反应试样；
(2)装样抽真空：将试样置入真空电弧熔炼炉后，抽真空；
(3)反应合成：通过电弧引燃试样，发生热爆反应；
(4)熔铸致密：继续加热使试样熔化致密，正反面各熔炼一次，搅拌使增强体均匀分布在基体中；
(5)出炉：在真空电弧炉中炉冷后，取出反应试样得到颗粒增强NiAl基复合材料。
优选地，步骤(1)中，球磨时，球粉比为5:1，转速为250～300p.r.m，干燥时间为2～3h，压坯时使用的压力为100～150Mpa。
优选地，步骤(2)中，抽真空至10－4～10－3Pa。
优选地，步骤(4)中，每次熔炼时间为3～5min。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)采用原位反应技术合成颗粒增强NiAl基复合材料，工艺操作简单、安全可靠、节能省时、环境友好，使操作过程简化，能耗大幅降低，节能高达50％-70％，缩短制备周期。
(2)由于反应过程短，电弧引发的高热量可有效净化基体，随后熔炼过程提高反应产物致密度，样品致密度可提高10％-20％，显微硬度最高可提高30％-40％，压缩性能提升30％-40％，大大改善材料的力学性能；
(3)增强体颗粒均是热爆反应产生，表面干净无污染，界面干净，结合强度高。
附图说明
图1是原位+加热致密化合成的10％TiC/NiAl试样的SEM图，图中黑色部分为TiC增强体颗粒。灰色部分为NiAl基体。
图2是原位+加热致密化合成的的10％TiC/NiAl试样的黑色区域EDS能谱图。
图3是原位+加热致密化合成的的10％TiC/NiAl试样的XRD衍射图谱。
图4是原位+加热致密化合成的的10％TiC、Al2O3/NiAl试样的SEM图，图中B处为Al2O3增强体颗粒，C处为TiC增强体颗粒，灰色部分为NiAl基体。
图5、6分别是是原位+加热致密化合成的的10％TiC、Al2O3/NiAl试样的B、C区域EDS能谱图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
实施例1：Ti-C-Ni-Al反应体系
(1)制反应试样将Ti、C、Ni和Al粉根据设定的增强体TiC体积分数为10％、由化学反应式:Ti+C+9Ni+9Al→TiC+9NiAl通过化学计量计算，该反应式的
Figure BDA0001756907630000031
满足反应的热力学条件。通过计算得20g的反应试样需Ti粉、C粉、Ni粉和Al粉。然后将其置入球磨罐中，以5：1的球粉比，300p.r.m转速球磨混合，再以120MPa压力挤压成坯，制成压坯试样；
(2)装样抽真空：将试样置入真空电弧熔炼炉后，抽真空至10－4Pa；
(3)反应合成：通过电弧引燃试样，发生热爆反应；
(4)熔铸致密：继续加热使试样熔化致密，正反面各熔炼一次，每次熔炼5min，开电磁搅拌，以使增强体均匀分布在基体中；
(5)出炉：在真空电弧炉中炉冷后，取出反应试样得到颗粒增强NiAl基复合材料。
表1. 10％TiC/NiAl复合材料原位+加热致密化合成和真空感应烧结样品性能对比
密度(g/cm<sup>3</sup>) 显微硬度(HV1) 压缩性能(MPa)
真空感应烧结试样 2.88 353.5 336.7
原位+加热致密化试样 3.32 479.7 438.5
性能提高比例 15.3％ 35.7％ 30.2％
表1为10％TiC/TiAl复合材料传统烧结方式样品和原位+加热致密化合成样品性能对比，表中数据均为选取的三组样品平均值。从表1可以看出，熔炼过程明显提高了材料的致密度，与常规烧结法相比，样品致密度可提高10％-20％，显微硬度最高可提高约35.7％，压缩性能提升30％-40％。
图1为原位+加热致密化合成试样10％TiC/NiAl的SEM形貌照片，图中深色方块为TiC增强体颗粒，灰色部分为镍铝基体。增强体尺寸处于微纳米颗粒级别，且与基体润湿性良好，基本没有孔洞，因而结合强度更高。图2为图1中黑色方块A处的EDS能谱图，表明黑色方块为增强体TiC。反应产物由TiC增强体和NiAl基体相组成。图3为原位+加热致密化试样的XRD图谱，可看出反应产物由TiC增强体和NiAl基体相组成。
实施例2：TiO2-Ti-C-Ni-Al反应体系
(1)制反应试样将TiO2、Ti、C、Ni和Al粉根据设定的增强体TiC和Al2O3总体积分数为10％、由化学反应式:5Ti+3TiO2+8C+90Ni+94Al→8TiC+2Al2O3+90NiAl通过化学计量计算，该反应式的
Figure BDA0001756907630000041
满足反应的热力学条件。通过计算得20g的反应试样需TiO2粉、Ti粉、C粉、Ni粉和Al粉。然后将其置入球磨罐中，以5：1的球粉比，300p.r.m转速球磨混合，再以120MPa压力挤压成坯，制成压坯试样；
(2)装样抽真空：将试样置入真空电弧熔炼炉后，抽真空，真空度可以达到10－3Pa；
(3)反应合成：通过电弧引燃试样，发生热爆反应；
(4)熔铸致密：继续加热使试样熔化致密，正反面各熔炼一次，每次熔炼3min，开电磁搅拌，以使增强体均匀分布在基体中；
(5)出炉：在真空电弧炉中炉冷后，取出反应试样得到颗粒增强NiAl基复合材料。
表2. 10％TiC、Al2O3/NiAl复合材料原位+加热致密化合成和真空感应烧结样品性能对比
密度(g/cm<sup>3</sup>) 显微硬度(HV1) 压缩性能(MPa)
真空感应烧结试样 2.72 362.5 347.4
原位+加热致密化试样 3.13 496.7 462.5
性能提高比例 15.1％ 37.0％ 33.1％
表2为10％TiC、Al2O3/NiAl复合材料传统烧结方式样品和原位+加热致密化合成样品性能对比，表中数据均为选取的三组样品平均值。熔炼过程明显提高了材料的致密度，与常规烧结法相比，样品致密度可提高10％-20％，显微硬度最高可提高约37.0％，压缩性能提升30％-40％。
图4为原位+加热致密化合成试样10％TiC、Al2O3/NiAl的SEM形貌照片，图中B处为Al2O3增强体颗粒，C处为TiC增强体颗粒，灰色部分为镍铝基体。其中Al2O3尺寸稍大，TiC尺寸处于微纳米颗粒级别，且与基体润湿性良好，分布较为均匀，显著改善NiAl金属间化合物的性能。图5、图6分别为图4中黑色方块B处和C处的EDS能谱图，表明B处为增强体Al2O3，C处为增强体TiC，反应产物由TiC和Al2O3增强体和NiAl基体相组成。

Claims (4)

1.颗粒增强NiAl基复合材料的原位合成法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制反应试样：根据所选
Figure FDA0001756907620000011
的反应体系和设定的体积分数的要求，将各粉体进行球磨混合，干燥，挤压成坯，制得反应试样；
(2)装样抽真空：将试样置入真空电弧熔炼炉后，抽真空；
(3)反应合成：通过电弧引燃试样，发生热爆反应；
(4)熔铸致密：继续加热使试样熔化致密，正反面各熔炼一次，搅拌使增强体均匀分布在基体中；
(5)出炉：在真空电弧炉中炉冷后，取出反应试样得到颗粒增强NiAl基复合材料。
2.根据权利要求1所述的原位合成法，其特征在于，步骤(1)中，球磨时，球粉比为5:1，转速为250～300p.r.m，干燥时间为2～3h，压坯时使用的压力为100～150Mpa。
3.根据权利要求1所述的原位合成法，其特征在于，步骤(2)中，抽真空至10－4～10－3Pa。
4.根据权利要求1所述的原位合成法，其特征在于，步骤(4)中，每次熔炼时间为3～5min。
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RU2427808C1 (ru) * 2010-04-07 2011-08-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный аграрный университет" (АГАУ) Способ термоиндикации
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