CN110846538A - 一种Ti2AlC增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种Ti₂AlC增强铝基复合材料及其制备方法，涉及一种铝基复合材料及其制备方法。目的是解决复合材料制备时Ti₂AlC和铝基体界面反应生成的脆性相导致复合材料塑性的降低问题。复合材料由Ti₂AlC增强体和铝基体组成。制备方法：称料并球磨混合，预制体成型，最后进行粉末烧结。本发明制备方法简单、易操作、工艺容易控制，制备出的Ti₂AlC增强铝基复合材料具有密度低、致密度高、无界面反应、力学性能良好、机械加工容易等性能特点。本发明适用于制备Ti₂AlC增强铝基复合材料。

Description

一种Ti2AlC增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，金属基复合材料凭借其超高的强度及刚度等优异性能广泛应用于航空航天领域。目前在金属基复合材料中普遍应用的增强体主要包括SiC、B₄C、Al₂O₃及碳纤维等，这些增强体具有超高的弹性模量可有效提高金属基复合材料的力学性能，但随着增强体体积分数的增加，所带来的“塑性下降”问题成为其应用短板。为了解决这个问题新型增强体MAX相(Ti₃SiC₂、Ti₂AlC等)得以应用，MAX相具有金属与陶瓷的共同特性，包括高弹性模量、高韧性以及良好的导电、导热能力，同时研究发现MAX相具有层状结构，其A层与M_n+1X层之间所存在的弱作用力可使该材料发生层间滑移，这赋予了该种材料室温变形的能力，主要变形的形式包括：扭折以及分层。利用该增强体的变形能力，增强体与金属基体进行协调变形，可改善金属基复合材料“塑性下降”的问题，但MAX相与铝基复合材料的制备一直面临一个难题，那就是MAX相与铝的界面反应问题。界面反应的产生导致复合材料内部出现脆性相，在很大程度上降低了复合材料塑性，从而制约了MAX相的强化效果。

目前用于制备MAX相增强铝基复合材料的方法，主要分为固相法(各种粉末冶金技术、搅拌摩擦焊、放电等离子烧结法等)和液相法(挤压铸造、搅拌铸造、无压浸渗、喷射沉积等)。液相法是在合金熔点以上进行合成的，制备温度较高，同时液态环境下促进原子扩散，界面反应剧烈。相比较液相法，固相法制备温度相对较低，不易发生界面反应，但较低的制备温度无法获得高致密度的复合材料；而低温长时保温会使复合材料内部晶粒长大，从而弱化晶界强化效应，降低材料性能。Ti₂AlC由于其各种优异的性能且密度最小、结构最简，也成为复合材料理想的增强体。目前采用Ti₂AlC增强铝基复合材料的文献报道还较少。Huliangfa等人首先进行Ti₂AlC多孔预制体的烧结，而后利用快速浸渗法制备Ti₂AlC增强6061铝合金复合材料，但浸渗温度高，反应产物种类偏多，仍然无法避免界面反应物的生成。Wang WJ等人采用粉末冶金的方法制备了体积分数为40％的MAX相增强纯铝复合材料，并无界面反应物的生成，但通过低温长时保温制备的复合材料仅为其理论密度的96％-98％，说明其材料的致密性较差，并且复合材料的压缩应变为仅为1.26％。

发明内容

本发明目的是为了解决现有Ti₂AlC增强铝基复合材料制备时，Ti₂AlC和铝基体界面反应生成的脆性相导致复合材料塑性的降低问题，提出一种Ti₂AlC增强铝基复合材料及其制备方法。

本发复合材料由Ti₂AlC粉末和铝金属粉为原料制备而成，原料中Ti₂AlC粉末的体积分数为5％～25％，铝金属粉材质为纯铝或铝合金。

上述Ti₂AlC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：

一、称料：称取Ti₂AlC粉末和铝金属粉作为原料，原料中Ti₂AlC粉末的体积分数为5％～25％；

二、混粉：将步骤一称取的Ti₂AlC粉末和铝金属粉混合并进行球磨，球磨后筛除磨球，得到复合粉末；

所述进行球磨时球磨机转速为200～300r/min，球磨时间3～5h；

三、预制体成型：将步骤二得到的复合粉末装入模具中进行冷压，得到复合粉末预制体；

四、粉末烧结：将步骤三得到的复合粉末预制体的模具外包覆石棉毡并置于烧结炉中进行烧结；

所述烧结的工艺为：在真空或保护气氛条件下烧结，炉内压力为20～50MPa，烧结温度为550～620℃，烧结时间为10～20min，烧结完成后以20～40℃/min的速度冷却至室温，最后脱模。本发明原理及有益效果为：

1、本发明给出了一种控制Ti₂AlC-Al体系复合材料界面反应的工艺，通过控制烧结温度和制烧结时间能够抑制复合材料中界面反应的发生。首先，Ti₂AlC与Al复合粉末的界面反应温度应该在650℃以上，本发明烧结温度低于界面反应温度，Ti₂AlC与Al无法满足反应热力学条件，从而抑制界面反应的发生。其次，本发明控制烧结时间来缩短扩散反应过程，在放电等离子烧结过程中，粉末颗粒在瞬时高温的作用下可能会导致局部熔化，使Ti₂AlC中的Ti原子向Al基体中扩散，首先形成Ti-Al扩散反应层，当反应物原子浓度达到一定值时，反应物开始生成，随着烧结的进行，Ti原子穿过界面层继续扩散与Al基体持续形成反应产物，因此控制烧结时间便可减少扩散时间，抑制了界面反应产物的生成。

2、本发明制备方法简单、易操作、工艺容易控制，制备出的Ti₂AlC增强铝基复合材料具有密度低、致密度高、无界面反应、力学性能良好、机械加工容易等性能特点。本发明制备的Ti₂AlC增强铝基复合材料中Ti₂AlC含量为5％～25％，密度为2.75g/cm³～2.97g/cm³，致密度大于99％，弹性模量在80GPa～104GPa，布氏硬度在73HB～101HB，拉伸强度在215MPa～417MPa，延伸率在3.69～16％。

附图说明

图1为实施例1中所得Ti₂AlC增强铝基复合材料的微观组织图片；

图2为实施例1中所得Ti₂AlC增强铝基复合材料的XRD分析图谱。

具体实施方式：

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

具体实施方式一：本实施方式Ti₂AlC增强铝复合材料由Ti₂AlC粉末和铝金属粉为原料制备而成，原料中Ti₂AlC粉末的体积分数为5％～25％，铝金属粉材质为纯铝或铝合金。

本实施方式Ti₂AlC增强铝基复合材料中Ti₂AlC含量为5％～25％，密度为2.75g/cm³～2.97g/cm³，致密度大于99％，弹性模量在80GPa～104GPa，布氏硬度在73HB～101HB，拉伸强度在215MPa～417MPa，延伸率在3.69～16％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述铝合金为6061Al合金、2024Al合金、5083Al合金中的一种；所述6061Al合金中Si的质量分数为0.4％～0.8％，Mg的质量分数为0.8％～1.2％；所述2024Al合金中Cu的质量分数为3.8％～4.9％，Mg的质量分数为1.2％～1.8％；所述5083Al合金中Mg的质量分数为4.0％～4.9％。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式Ti₂AlC增强铝基复合材料的制备方法按以下步骤进行：

一、称料：称取Ti₂AlC粉末和铝金属粉作为原料，原料中Ti₂AlC粉末的体积分数为5％～25％；

二、混粉：将步骤一称取的Ti₂AlC粉末和铝金属粉混合并进行球磨，球磨后筛除磨球，得到复合粉末；

所述进行球磨时球磨机转速为200～300r/min，球磨时间3～5h；

步骤二中混粉的过程中，通过硬质磨球如Al₂O₃磨球或ZrO₂磨球对复合粉末进行强烈的撞击、研磨、和搅拌作用，能够改变复合粉末的粒度和微观形貌，从而实现复合粉末的细化和均匀分散；针对本发明复合材料体系，球磨工艺选择的目的是：(1)使增强体Ti₂AlC均匀分散；(2)使Ti₂AlC和Al复合粉末细化；(3)使Ti₂AlC片层在球磨中不发生明显破坏；Ti₂AlC是由两层Al原子夹着一层Ti₂C原子层所构成的层状结构，且层间结合力较弱，在球磨中的剪切作用下容易发生变形，相当于在增强体内部产生缺陷，因此本实施方式选择低转速、长时间的球磨工艺，既保证增强体的分散和细化，同时不会破坏片层结构。

三、预制体成型：将步骤二得到的复合粉末装入模具中进行冷压，得到复合粉末预制体；

步骤三中冷压的过程中，加压的目的是使复合粉末在压力作用下压制成一定的几何形状，在加压过程中，粉体间孔隙减小，压坯逐渐致密化；

四、粉末烧结：将步骤三得到的复合粉末预制体的模具外包覆石棉毡并置于烧结炉中进行烧结；

所述烧结的工艺为：在真空或保护气氛条件下烧结，炉内压力为20～50MPa，烧结温度为550～620℃，烧结时间为10～20min，烧结完成后以20～40℃/min的速度冷却至室温，最后脱模。

步骤四中，将烧结温度从室温升温至550～620℃并保温10～20min，能够确保Ti₂AlC-Al复合粉末在烧结过程中完全致密化，同时抑制界面反应的发生。Ti₂AlC与Al复合粉末的界面反应温度应该在650℃以上，本实施方式烧结温度低于界面反应温度，Ti₂AlC与Al无法满足反应热力学条件，从而抑制界面反应的发生。

1、本实施方式通过控制烧结温度和制烧结时间能够抑制复合材料中界面反应的发生。

首先，Ti₂AlC与Al复合粉末的界面反应温度应该在650℃以上，本实施方式烧结温度低于界面反应温度，Ti₂AlC与Al无法满足反应热力学条件，从而抑制界面反应的发生。其次，本发明控制烧结时间来缩短扩散反应过程，在放电等离子烧结过程中，粉末颗粒在瞬时高温的作用下可能会导致局部熔化，使Ti₂AlC中的Ti原子向Al基体中扩散，首先形成Ti-Al扩散反应层，当反应物原子浓度达到一定值时，反应物开始生成，随着烧结的进行，Ti原子穿过界面层继续扩散与Al基体持续形成反应产物，因此控制烧结时间便可减少扩散时间，抑制了界面反应产物的生成。

2、本实施方式制备方法简单、易操作、工艺容易控制，制备出的Ti₂AlC增强铝基复合材料具有密度低、致密度高、无界面反应、力学性能良好、机械加工容易等性能特点。本实施方式制备的Ti₂AlC增强铝基复合材料中Ti₂AlC含量为5％～25％，密度为2.75g/cm³～2.97g/cm³，致密度大于99％，弹性模量在80GPa～104GPa，布氏硬度在73HB～101HB，拉伸强度在215MPa～417MPa，延伸率在3.69～16％。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤一所述铝金属粉材质为纯铝或铝合金。其他步骤和参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述铝合金为6061Al合金、2024Al合金、5083Al合金中的一种；所述6061Al合金中Si的质量分数为0.4％～0.8％，Mg的质量分数为0.8％～1.2％；所述2024Al合金中Cu的质量分数为3.8％～4.9％，Mg的质量分数为1.2％～1.8％；所述5083Al合金中Mg的质量分数为4.0％～4.9％。其他步骤和参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：步骤一所述Ti₂AlC粉末的纯度大于90％，粒径为8～10μm。其他步骤和参数与具体实施方式三至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是：步骤二中进行球磨时采用的是氧化铝球磨罐。其他步骤和参数与具体实施方式三至六之一相同。

具体实施方式八：步骤二所述进行球磨时Ti₂AlC粉末和铝金属粉的总质量与磨球的质量比为1:(3～5)。其他步骤和参数与具体实施方式三至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同的是：步骤三所述冷压的工艺为：以1～3mm/min的加压速度加压至5～8MPa并保压10～20min。其他步骤和参数与具体实施方式三至八之一相同。保压的目的是使Ti₂AlC-Al复合粉末在稳定的压力下、通过长时间粉末颗粒之间的结合力作用来保证压坯强度以及密度。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同的是：步骤四所述保护气氛为真空或氩气。其他步骤和参数与具体实施方式三至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式三至十之一不同的是：步骤一所述铝粉的粒径为8～10μm。其他步骤和参数与具体实施方式三至十之一相同。

综上所述，本发明制备过程中的控制条件包括：①、Ti₂AlC-Al复合粉末球磨时的转速和时间；②、预制体成型过程中的加压速度、压力和保压时间；③、粉末烧结过程中的压力、烧结温度、烧结时间和冷却速率；上述控制条件的综合影响了复合材料的制备。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1：

本实施例Ti₂AlC增强铝基复合材料的制备方法按以下步骤进行：

一、称料：称取Ti₂AlC粉末和6061Al合金粉作为原料，原料中Ti₂AlC粉末的体积分数为5％；

6061Al合金中Si的质量分数为0.55％，Mg的质量分数为1.09％，6061Al合金的粒径为8～10μm；Ti₂AlC粉末的粒径为8～10μm，纯度大于90％；

二、混粉：将步骤一称取的Ti₂AlC粉末和6061Al合金粉混合并进行球磨，球磨后筛除磨球，得到复合粉末；

所述进行球磨时球磨机转速为280r/min，球磨时间4h；进行球磨时采用的是氧化铝球磨罐，Ti₂AlC粉末和6061Al合金粉的总质量与磨球的质量比为1:3；

三、预制体成型：将步骤二得到的复合粉末装入模具中进行冷压，得到复合粉末预制体；

所述冷压的工艺为：以3mm/min的加压速度加压至7MPa并保压20min；

四、粉末烧结：将步骤三得到的复合粉末预制体的模具外包覆石棉毡并置于烧结炉中进行烧结；

所述烧结的工艺为：烧结气氛为氩气气氛，炉内压力为30MPa，烧结温度为600℃，烧结时间为20min，烧结完成后以40℃/min的速度冷却至室温，最后脱模；

图1为实施例1中所得Ti₂AlC增强铝基复合材料的微观组织图片；从图1中可以看出，实施例1中所得Ti₂AlC增强铝基复合材料致密性好，Ti₂AlC在复合材料中的分布较均匀，没有明显的团聚现象；图2为实施例1中所得Ti₂AlC增强铝基复合材料的XRD分析图谱，图中●为Ti₂AlC，◆为Al。从图2中可以看出复合材料中只存在Ti₂AlC和Al两相，说明界面反应被抑制。

本实施例中制备所得Ti₂AlC增强铝基复合材料，经检测，其密度为2.75g/cm³，致密度为99.2％，弹性模量为80GPa，布氏硬度在73HB，拉伸强度在215MPa，屈服强度在115MPa，热处理后的延伸率在16％，处理工艺为：在加热炉中从室温升温至340℃并保温1小时，最后随炉冷却。

实施例2：

本实施例Ti₂AlC增强铝基复合材料的制备方法按以下步骤进行：

一、称料：称取Ti₂AlC粉末和2024Al合金粉作为原料，原料中Ti₂AlC粉末的体积分数为10％；

一、称料：按体积分数称取10％的Ti₂AlC粉末和余量的铝粉作为原料；

铝粉为2024Al合金粉，其中Cu的质量分数为4.2％，Mg的质量分数为1.5％，2024Al合金粉的粒径为8～10μm；Ti₂AlC粉末的纯度大于90％，粒径为8～10μm；

二、混粉：将步骤一称取的Ti₂AlC粉末和2024Al合金粉混合并进行球磨，球磨后筛除磨球，得到复合粉末；

所述进行球磨时球磨机转速为250r/min，球磨时间3h；进行球磨时采用的是氧化铝球磨罐，Ti₂AlC粉末和铝粉的总质量与磨球的质量比为1:3；

三、预制体成型：将步骤二得到的复合粉末装入模具中进行冷压，得到复合粉末预制体；

所述冷压的工艺为：以2mm/min的加压速度加压至6MPa并保压15min；

四、粉末烧结：将步骤三得到的复合粉末预制体的模具外包覆石棉毡并置于烧结炉中进行烧结；

所述烧结的工艺为：烧结气氛为氩气气氛，炉内压力为45MPa，烧结温度为550℃，烧结时间为15min，烧结完成后以35℃/min的速度冷却至室温，最后脱模；

本实施例中制备所得Ti₂AlC增强铝基复合材料，经检测，其密度为2.82g/cm³，致密度为99.3％，弹性模量为86GPa，布氏硬度在87HB，拉伸强度在417MPa，屈服强度在368MPa，热处理后延伸率在3.69％；热处理工艺为：于495℃的盐浴炉中保温1小时，之后水淬，然后置于190℃的干燥箱中保温8小时，最后空冷。

实施例3：

本实施例Ti₂AlC增强铝基复合材料的制备方法按以下步骤进行：

一、称料：称取Ti₂AlC粉末和纯Al粉作为原料，原料中Ti₂AlC粉末的体积分数为10％；

Ti₂AlC粉末的纯度大于90％，粒径为8～10μm；纯Al粉的粒径为8～10μm

二、混粉：将步骤一称取的Ti₂AlC粉末和纯Al粉混合并进行球磨，球磨后筛除磨球，得到复合粉末；

所述进行球磨时球磨机转速为200r/min，球磨时间5h；进行球磨时采用的是氧化铝球磨罐，Ti₂AlC粉末和纯Al粉的总质量与磨球的质量比为1:3；

三、预制体成型：将步骤二得到的复合粉末装入模具中进行冷压，得到复合粉末预制体；

所述冷压的工艺为：以1mm/min的加压速度加压至5MPa并保压10min；

四、粉末烧结：将步骤三得到的复合粉末预制体的模具外包覆石棉毡并置于烧结炉中进行烧结；

所述烧结的工艺为：烧结气氛为氩气气氛，炉内压力为40MPa，烧结温度为590℃，烧结时间为10min，烧结完成后以30℃/min的速度冷却至室温，最后脱模；

本实施例中制备所得Ti₂AlC增强铝基复合材料，经检测，其密度为2.97g/cm³，致密度为99.6％，弹性模量为104GPa，布氏硬度在101HB，拉伸强度在219MPa，屈服强度在142MPa，热处理后的延伸率在4.1％(热处理工艺与实施例2相同)。

MAX相作为一种新型陶瓷增强体的研究尚在初步阶段，虽然放电等离子烧结已经较为常见，但是将MAX相作为增强体制备铝基复合材料研究报道较少。原因是：首先目前对于MAX相的研究较为成熟的是MAX增强Cu基、MAX相增强Mg基两种体系，MAX相与Cu、Mg不发生明显的界面反应，复合材料制备难度小；其次研究者们对于MAX相的研究重点在于利用其层状结构实现自润滑效果，目的获得具有低摩擦系数的功能性复合材料，Cu基、Mg基两种基体金属也比较适用于制备自润滑材料。

采用放电等离子烧结工艺制备复合材料时的难点是内部的界面反应难以控制，放电等离子烧结工艺对于新体系复合材料的研究工作量巨大，放电等离子烧结制备工艺具有烧结温度低，快速烧结的优点，但该工艺烧结机理特殊，粉末颗粒在脉冲电场下可以产生瞬时高温，并导致局部熔化，因此利用该制备工艺必须调整好外加压力、升温速率、烧结温度、保温时间等参数，才能控制复合材料内部的界面反应。对于放电等离子烧结工艺，即便烧结温度提高10℃，对于复合材料组织成分的影响也是十分巨大的，因此需多次大量试验来调控多种参数，才能得到最优的制备工艺。

Claims (10)

1.一种Ti₂AlC增强铝基复合材料，其特征在于：该复合材料由Ti₂AlC粉末和铝金属粉为原料制备而成，原料中Ti₂AlC粉末的体积分数为5％～25％，铝金属粉材质为纯铝或铝合金。

2.根据权利要求1所述的Ti₂AlC增强铝基复合材料，其特征在于：所述铝合金为6061Al合金、2024Al合金、5083Al合金中的一种；所述6061Al合金中Si的质量分数为0.4％～0.8％，Mg的质量分数为0.8％～1.2％；所述2024Al合金中Cu的质量分数为3.8％～4.9％，Mg的质量分数为1.2％～1.8％；所述5083Al合金中Mg的质量分数为4.0％～4.9％。

3.如权利要求1所述的Ti₂AlC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：

一、称料：称取Ti₂AlC粉末和铝金属粉作为原料，原料中Ti₂AlC粉末的体积分数为5％～25％；

二、混粉：将步骤一称取的Ti₂AlC粉末和铝金属粉混合并进行球磨，球磨后筛除磨球，得到复合粉末；

所述进行球磨时球磨机转速为200～300r/min，球磨时间3～5h；

三、预制体成型：将步骤二得到的复合粉末装入模具中进行冷压，得到复合粉末预制体；

四、粉末烧结：将步骤三得到的复合粉末预制体的模具外包覆石棉毡并置于烧结炉中进行烧结；

所述烧结的工艺为：在真空或保护气氛条件下烧结，炉内压力为20～50MPa，烧结温度为550～620℃，烧结时间为10～20min，烧结完成后以20～40℃/min的速度冷却至室温，最后脱模。

4.根据权利要求3所述的Ti₂AlC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一所述铝金属粉材质为纯铝或铝合金。

5.根据权利要求4所述的Ti₂AlC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述铝合金为6061Al合金、2024Al合金、5083Al合金中的一种；所述6061Al合金中Si的质量分数为0.4％～0.8％，Mg的质量分数为0.8％～1.2％；所述2024Al合金中Cu的质量分数为3.8％～4.9％，Mg的质量分数为1.2％～1.8％；所述5083Al合金中Mg的质量分数为4.0％～4.9％。

6.根据权利要求3所述的Ti₂AlC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一所述Ti₂AlC粉末的纯度大于90％，粒径为8～10μm。

7.根据权利要求3所述的Ti₂AlC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中进行球磨时采用的是氧化铝球磨罐。

8.根据权利要求3所述的Ti₂AlC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二所述进行球磨时Ti₂AlC粉末和铝金属粉的总质量与磨球的质量比为1:(3～5)。

9.根据权利要求3所述的Ti₂AlC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三所述冷压的工艺为：以1～3mm/min的加压速度加压至5～8MPa并保压10～20min。

10.根据权利要求3所述的Ti₂AlC增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四所述保护气氛为氩气气氛。

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