专利名称：一种TiAl金属间化合物复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及复合材料领域，特别涉及一种TiAl金属间化合物复合材料及其制备方法。
背景技术：
TiAl金属间化合物具有优异的高温性能，综合了陶瓷和金属材料的优点，并具有较小的体积密度，在高温条件下能替代部分现有金属及陶瓷材料，以提高产品性能及实现轻量化，因而成为高温结构材料的开发热点之一。但是，TiAl本身室温脆性较大、难于变形加工，850°C以上抗氧化性不足，严重的阻碍了该材料的实际应用。 TiAl合金中引入Cr能显著改善该材料的热加工性和超塑性以及高温抗氧化性，但依然不能从根本上解决其力学性能较差的缺点。利用陶瓷相弥散强韧化的TiAl/Al203复合材料不但具有制造成本低廉，而且A1203热膨胀系数与TiAl基体也最为接近，从而使该材料的性能有了很大的提高。现有的制备方法有直接金属氧化法、反应溶渗法、气压溶渗法以及热等静压法等，但该类技术难以使弥散相均匀分布于基体材料之中，从而大幅降低了材料的性能。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种TiAl金属间化合物复合材料及其制备方法，在制备出具有均匀细小的八1203弥散相的同时，利用原位生成的&对基体相TiAl进一步优化TiAl/Al203复合材料，同时降低了烧成温度及热压压力，在快速烧成中实现了晶粒微晶化。 为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的 —种TiAl金属间化合物复合材料，其原料组成成分为Ti粉占总重量的21. 45-63. 14%， Al粉占总重量的36. 12-39. 69%， Cr203粉占总重量的0. 74-38. 87%。
以上原料组分按以下反应方程式进行设计
xTi+(x+3)Al+Cr203 — xTiAl+Al203+Cr2Al (1) 通过改变x值就可以合成出不同A1203含量的TiAl复合材料，x = 269. 22_1. 75。如果x大于269. 22，则生成的复合材料中A1203生成量小于产物质量的0. 5%而起不到增强、增韧TiAl基体的作用，反之，如果x值小于1. 75，则产物中Cr2Al相量超过TiAl基体相的含量，不能称之为TiAl基复合材料，同时，A1203生成量将超过28%，过量的A1203不但起不到改善TiAl金属间化合物的作用，反而会恶化其性能。因此确定了以上组分范围。
—种TiAl金属间化合物复合材料的制备工艺，其步骤如下
(1)将纯度大于99%，细度小于200目的金属Ti粉、Al粉以及CrA粉，按重量比为21. 45-63. 14% :36. 12-39. 69% :0. 74-38. 87%的比例混合均匀; (2)将步骤(1)中的混合物加入高铝球磨罐中并加入混合物质量45-100%的无水乙醇为介质以700-800转/分钟的转速混磨30-60分钟，并过200目筛；
(3)将步骤(2)所得粉体装入石墨磨具中，热压烧结，在氩气或真空条件下，烧结 温度范围为1100-130(TC，保温1-2小时，热压压力为5-15Mpa ; (4)将步骤(3)所得材料自然冷却至室温即可得到所要制备的TiAl金属间化合物 复合材料。 所制备的TiAl金属间化合物复合材料，其特征在于，它由基体相和增强相两部分 组成，基体相占复合材料总重量的99. 5-72%，增强相占总重量的0. 5-28%，基体相由占产 物总重量36. 03-98. 86%的TiAl相和0. 64-35. 97%的Cr2Al组成，其余为增强相A1203。
本发明利用Ti粉、Al粉和Cr203粉经热压烧结工艺，通过铝热反应在基体相生成 的过程中自生颗粒增强相，制备了 Al203弥散相强韧化基体相TiAl的细晶复合材料，并利用 反应生成的Cr对基体相进行微合金化改善。由于该材料成分可调性大，烧成温度低，结构 均匀致密，成本较低，力学性能优异，拓宽了该复合材料的应用范围。另外，该方法降低了烧 成温度及热压压力，在快速烧成中实现了晶粒微晶化。
图1为实施例一的物相分析结果，横坐标为衍射角，纵坐标为衍射峰强度。
图2为实施例一的断面形貌图。
具体实施方式
实施例一 本实施例的原料组成成分为Ti粉占总重量的59. 10%， Al粉占总重量的
36. 46%， 0203粉占总重量的4. 44%。
本实施例的制备工艺步骤如下 (1)将纯度大于99%，细度小于200目的金属Ti粉、A1粉以及Cr203粉，按重量比 为59. 10% ，36. 46% ，4. 44%的比例混合均匀; (2)将步骤(1)中的混合物加入高铝球磨罐中并加入混合物质量50%的无水乙醇 为介质以700转/分钟的转速混磨60分钟，并过200目筛； (3)将步骤(2)所得粉体装入石墨磨具中，热压烧结，在真空条件下，烧结温度为 1 IO(TC ，保温2小时，热压压力为5Mpa ; (4)将步骤(3)所得材料自然冷却至室温即可得到所要制备的TiAl金属间化合物 复合材料。 本实施例所制备的TiAl金属间化合物复合材料，其特征在于，它由基体相和增强
相两部分组成，基体相占复合材料总重量的97 % ，增强相占总重量的3 % ，基体相由占产物
总重量93. 15%的TiAl相和3. 85%的Cr2Al组成，其余为3%增强相A1203。 参照图l，表明该材料基体相由TiAl主晶相及少量的Ti3Al和Cr2Al组成，增强相
为A1A相。 参照图2，可以看出，该材料晶粒细小，结构致密，无气孔。
实施例二 本实施例的原料组成成分为Ti粉占总重量的48.07 X， Al粉占总重量的
37. 41%， 0203粉占总重量的14. 52%。
本实施例的制备工艺步骤如下 (1)将纯度大于99%，细度小于200目的金属Ti粉、A1粉以及Cr203粉，按重量比 为48. 07 % ， 37. 41 % ， 14. 52 %的比例混合均匀; (2)将步骤(1)中的混合物加入高铝球磨罐中并加入混合物质量75%的无水乙醇 为介质以750转/分钟的转速混磨45分钟，并过200目筛； (3)将步骤(2)所得粉体装入石墨磨具中，热压烧结，在真空条件下，烧成温度为 1200。C，保温1. 5小时，热压压力为7. 5Mpa ; (4)将步骤(3)所得材料自然冷却至室温即可得到所要制备的TiAl金属间化合物 复合材料。 本实施例所制备的TiAl金属间化合物复合材料，其特征在于，它由基体相和增强 相两部分组成，基体相占复合材料总重量的90%，增强相占总重量的10%，基体相由占产 物总重量77. 15X的TiAl相和12.85%的0^1组成，其余为10%的增强相A1203。该复合 材料弯曲强度为660MPa，断裂韧性达到6. 8MPa m1/2。
实施例三 本实施例的原料组成成分为Ti粉占总重量的40.43 X， Al粉占总重量的 38. 06%， 0203粉占总重量的21. 51%。
本实施例的制备工艺步骤如下 (1)将纯度大于99%，细度小于200目的金属Ti粉、Al粉以及CrA粉，按重量比 为40. 43% ，38. 06% ，21. 51%的比例混合均匀; (2)将步骤(1)中的混合物加入高铝球磨罐中并加入混合物质量100%的无水乙 醇为介质以800转/分钟的转速混磨30分钟，并过200目筛； (3)将步骤(2)所得粉体装入石墨磨具中，热压烧结，在氩气条件下，烧成温度为 1300。C，保温1小时，热压压力为5Mpa ; (4)将步骤(3)所得材料自然冷却至室温即可得到所要制备的TiAl金属间化合物 复合材料。 本实施例所制备的TiAl金属间化合物复合材料，其特征在于，它由基体相和增强 相两部分组成，基体相占复合材料总重量的85%，增强相占总重量的15%，基体相由占产 物总重量65. 73%的TiAl相和19. 27%的Cr2Al组成，其余为15%的增强相A1203。该复合 材料的硬度(HRA)达到80，抗氧化性有了明显改善。
权利要求
一种TiAl金属间化合物复合材料，其特征在于，原料组成成分为Ti粉占总重量的21.45-63.14％，Al粉占总重量的36.12-39.69％，Cr2O3粉占总重量的0.74-38.87％。
2. 根据权利要求1所述的一种TiAl金属间化合物复合材料，其特征在于，原料组成成 分为Ti粉占总重量的59. 10%， Al粉占总重量的36. 46%， Cr203粉占总重量的4. 44%。
3. 根据权利要求1所述的一种TiAl金属间化合物复合材料，其特征在于，原料组成成 分为Ti粉占总重量的48. 07%， Al粉占总重量的37. 41%， Cr203粉占总重量的14. 52%。
4. 一种TiAl金属间化合物复合材料的制备工艺，其特征在于，步骤如下(l)将纯度大 于99%，细度小于200目的金属Ti粉、Al粉以及CrA粉，按重量比为21.45-63. 14% : 36 .12-39. 69% : 0. 74-38. 87%的比例混合均匀；(2)将步骤(1)中的混合物加入高铝球磨罐 中并加入混合物质量45-100%的无水乙醇为介质以700-800转/分钟的转速混磨30-60分 钟，并过200目筛；(3)将步骤(2)所得粉体装入石墨磨具中，热压烧结，在氩气或真空条件 下，烧结温度范围为1100-130(TC，保温1-2小时，热压压力为5-15Mpa ;(4)将步骤(3)所 得材料自然冷却至室温即可得到所要制备的TiAl金属间化合物复合材料。
5. 根据权利要求4所述的一种TiAl金属间化合物复合材料的制备工艺，其特征在于， 步骤如下(l)将纯度大于99%，细度小于200目的金属Ti粉、Al粉以及Cr^粉，按重量 比为59. 10%，36.46%，4.44%的比例混合均匀；(2)将步骤(1)中的混合物加入高铝球磨 罐中并加入混合物质量50%的无水乙醇为介质以700转/分钟的转速混磨60分钟，并过 200目筛；(3)将步骤(2)所得粉体装入石墨磨具中，热压烧结，在真空条件下，烧结温度为 110(TC，保温2小时，热压压力为5Mpa;(4)将步骤(3)所得材料自然冷却至室温即可得到 所要制备的TiAl金属间化合物复合材料。
6. 根据权利要求4所述的一种TiAl金属间化合物复合材料的制备工艺，其特征在于， 步骤如下(1)将纯度大于99%，细度小于200目的金属Ti粉、Al粉以及Cr203粉，按重量 比为48. 07% ，37. 41%， 14. 52%的比例混合均匀;(2)将步骤(1)中的混合物加入高铝球磨 罐中并加入混合物质量75%的无水乙醇为介质以750转/分钟的转速混磨45分钟，并过 200目筛；(3)将步骤(2)所得粉体装入石墨磨具中，热压烧结，在真空条件下，烧结温度为 120(TC，保温1. 5小时，热压压力为7. 5Mpa ;(4)将步骤(3)所得材料自然冷却至室温即可 得到所要制备的TiAl金属间化合物复合材料。
7. —种TiAl金属间化合物复合材料，其特征在于，它由基体相和增强相两部分组成， 基体相占复合材料总重量的99. 5-72%，增强相占总重量的0. 5-28%，基体相由占产物总 重量36. 03-98. 86%的TiAl相和0. 64-35. 97%的Cr2Al组成，其余为增强相A1203。
8. 根据权利要求7所述的一种TiAl金属间化合物复合材料，其特征在于，它由基体相 和增强相两部分组成，基体相占复合材料总重量的97%，增强相占总重量的3%，基体相由 占产物总重量93. 15%的TiAl相和3. 85%的Cr2Al组成，其余为3%增强相A1203。
9. 根据权利要求7所述的一种TiAl金属间化合物复合材料，其特征在于，它由基体相 和增强相两部分组成，基体相占复合材料总重量的90%，增强相占总重量的10%，基体相 由占产物总重量77. 15X的TiAl相和12. 85X的CiVU组成，其余为10%的增强相A1203。
全文摘要
一种TiAl金属间化合物复合材料及其制备方法，利用重量比分别为21.45-63.14％Ti粉、36.12-39.69％Al粉和0.74-38.87％Cr2O3粉经热压烧结工艺，通过铝热反应在基体相生成的过程中自生颗粒增强相，制备了Al2O3弥散相强韧化基体相TiAl的细晶复合材料，并利用反应生成的Cr对基体相进行微合金化改善；由于该复合材料成分可调性大，烧成温度低，结构均匀致密，成本较低，力学性能优异，拓宽了其应用范围；另外，该方法降低了烧成温度及热压压力，在快速烧成中实现了晶粒微晶化。
文档编号C22C1/05GK101701305SQ20091021931
公开日2010年5月5日 申请日期2009年12月3日 优先权日2009年12月3日
发明者周勇, 朱建锋, 杨文文, 杨海波, 林营, 王芬, 齐国权 申请人:陕西科技大学