一种氧化镨增强钛/氧化铝复合材料的制作方法

本发明涉及一种氧化镨掺加增强钛/氧化铝复合材料及其制备方法，属于金属氧化物掺加陶瓷基金属复合材料的制备技术领域。

背景技术：

氧化铝（Al₂O₃）陶瓷是应用最广泛的陶瓷材料之一，既具有普通陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高硬度等特点，又具备优良的抗氧化性、化学稳定性、低密度等特性。目前，已被广泛应用于航空航天、医疗、汽车发动机、电子元件、机械材料等领域。氧化铝陶瓷虽然具有以上的诸多优点，但其韧性较低。

在对氧化铝陶瓷增韧技术的研究中，利用陶瓷和金属复合增韧是一种很有效的增韧手段。钛有质轻、耐腐、高韧性和高延展性以及与氧化铝有着良好的物理化学相容性的优点。所以，钛是增韧氧化铝的理想材料。但是在对钛/氧化铝复合材料的研究中，研究人员发现高温下钛和氧化铝之间会发生剧烈的界面反应，产生TiAl、Ti₃Al等具有室温脆性的金属间化合物，这些物质影响了钛/氧化铝复合材料的力学性能。

目前，已有研究试图通过添加金属或金属氧化物改善钛和氧化铝的界面反应，降低烧结温度，提高钛/氧化铝复合材料的力学性能。但是目前钛/氧化铝复合材料韧性较低的问题仍没有得到很好地解决。

技术实现要素：

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种氧化镨掺加钛/氧化铝复合材料及其制备方法。本发明在现有的钛/氧化铝复合材料的制备方法上进行改进，从而提供一种针对氧化镨增强钛/氧化铝复合材料的制备方法；采用该制备工艺制备的钛/氧化铝复合材料，具有良好的致密度、微观结构和优异的力学性能。

本发明中的氧化镨增强钛/氧化铝复合材料的制备方法，包括下述步骤：

（1）氧化镨、钛和氧化铝混合粉料的制备：

将氧化镨粉、钛粉、氧化铝粉按一定比例称量，以酒精为分散介质，氧化铝球为球磨介质，使用聚四氟乙烯罐球磨4h；球磨后的料浆置于干燥箱中在60℃条件下干燥24h；将干燥后的粉料过80目筛得到氧化镨、钛、氧化铝混合粉料。

（2）烧结：

混合粉体使用真空热压炉在1400-1600℃、10-50MPa条件下保温1-4h，得产品；升温速度为4-10℃/分钟。

本发明的方法，步骤（1）中，原料的粒径，尤其是钛粉和氧化铝粉的粒径对烧结后的试样性能具有一定的影响。同时，原料粉的比例对烧结后试样的力学性能也有着较大的影响。采用本发明的限定粒径的原料和配料比制备出的样品致密度较高，力学性能较为优异。步骤（2）中，温度、压力、烧结时间、升温速度等参数的改变对试样性能有着最直接最显著的影响，本发明采用烧结制度经过理论和实践的验证，采用此烧结制度制备的样品具有较高的力学性能。

上述制备工艺方法，优选参数为：

混合粉料的制备:钛粉的粒径为1μm，氧化铝粉的粒径为800nm，氧化镨粒径为500nm，钛粉和氧化铝粉的体积比为2:3,氧化镨的掺加量为钛和氧化铝平均质量的8%。

烧结条件:1500℃、30MPa条件下烧结2h，升温速率10℃/分钟；在此工艺下烧结的试样，相对密度为99.5，弯曲强度为456.87MPa；断裂韧性为7.86MPa•m^1/2。

本发明相比现有技术的优越性在于：

本发明制备钛/氧化铝复合材料相较于其他工艺制备出的样品具有较高的力学性能；氧化镨作为烧结助剂，可以降低钛/氧化铝复合材料的烧结温度，节约能源和成本；与提高烧结温度所耗费的资源相比，通过添加氧化镨烧结钛/氧化铝复合材料具有更高的性价比。

附图说明

图1为对比例1中钛氧化铝复合材料的XRD图谱；

图2为对比例1中钛氧化铝复合材料的的断面SEM图；

图3为实施例2中掺加氧化镨的钛氧化铝复合材料的XRD图谱；

图4为实施例2中掺加氧化镨的钛氧化铝复合材料的断面SEM图；

图5为实施例2中掺加氧化镨的钛氧化铝复合材料的断面SEM图。

具体实施方式

对比例1

称取钛粉（1μm）28.6915g，氧化铝粉（800nm）37.8842g，酒精52g，氧化铝球磨球130g，使用聚四氟乙烯罐球磨4h；球磨后的料浆置于干燥箱中在60℃条件下干燥24h；将干燥后的粉料过80目筛得到氧化镨、钛、氧化铝混合粉料；取30g混合粉料使用直径45mm的石墨模具在1500℃、30MPa条件下烧结2h，升温速率10℃/分钟；制得样品。经测定，样品的相对密度为97.1，弯曲强度为327.36MPa；断裂韧性为4.01MPa•m^1/2。X射线衍射分析表明（图像如图1所示），样品中有大量的TiAl和Ti₃Al金属间化合物的生成，这些物质具有较强的室温脆性，大大降低了复合材料整体的强度和韧性。同时，通过扫描电镜分析我们发现在断裂发生时，材料中出现大量的沿晶断裂（图像如图2所示）方式。沿晶断裂模式中裂纹沿着晶界扩展，吸收的断裂能较小，这是材料弯曲强度较低的一个原因。

实施例1

称取钛粉（1μm）28.6915g，氧化铝粉（800nm）37.8842g，氧化镨粉（500nm）2.6630g（钛粉和氧化铝粉平均质量的2%），酒精55g，氧化铝球磨球140g，使用聚四氟乙烯罐球磨4h；球磨后的料浆置于干燥箱中在60℃条件下干燥24h；将干燥后的粉料过80目筛得到氧化镨、钛、氧化铝混合粉料；取30g混合粉料使用直径45mm的石墨模具在1450℃、30MPa条件下烧结1.5h，升温速率10℃/分钟；制得样品。经测定，样品的相对密度为98.2，弯曲强度为367.26MPa；断裂韧性为4.82MPa•m^1/2。

实施例2

称取钛粉（1μm）28.6915g，氧化铝粉（800nm）37.8842g，氧化镨粉（500nm）10.6521g钛粉和氧化铝粉平均质量的8%），酒精60g，氧化铝球磨球150g，使用聚四氟乙烯罐球磨4h；球磨后的料浆置于干燥箱中在60℃条件下干燥24h；将干燥后的粉料过80目筛得到氧化镨、钛、氧化铝混合粉料；取30g混合粉料使用直径45mm的石墨模具在1500℃、30MPa条件下烧结2h，升温速率10℃/分钟；制得样品。经测定，样品的相对密度为99.5，弯曲强度为456.87MPa；断裂韧性为7.86MPa•m^1/2。X射线衍射分析显示（图像如图3所示），添加氧化镨后，在高温下钛和氧化铝均与其反应，生成了PrAlO₃和Pr₂Ti₂O₇，从而大大减少了TiAl和Ti₃Al金属间化合物的生成，提高了体系中共价键的浓度，从而提升了材料的强度。通过扫描电镜分析，可以发现材料中在晶界处有Pr₂Ti₂O₇的小晶粒（图像如图4所示）生成，这种小晶粒形成钉扎效应，加强了晶界间的结合。同时观察到材料裂纹的扩展中有大量的穿晶断裂（图像如图5所示）发生，大量的穿晶断裂较沿晶断裂吸收了更多的断裂能，进一步提升了复合材料材料的强度。