AlC/TiAl基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料科学与工程领域，涉及颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法，具 体涉及一种Ti2AKVTiAl基复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] Ti-Al系金属间化合物因其优异的高温力学性能与低的密度在航空航天等领域受 到广泛关注。TiAl基合金具有高的比强度和比模量、良好的抗氧化性能和高的抗蠕变性能， 是一种极具应用潜力的新型轻质高温结构材料。但TiAl基合金室温塑性和韧性差，难以成 形加工，温度在800°C以上抗氧化性能严重不足等问题限制了其实际应用。有关提高其室温 塑性和高温抗氧化性能的研宄已取得明显效果，文献（张永刚，韩雅芳，陈国良，郭建亭，万 晓景，冯绦，金属间化合物结构材料，北京：国防工业出版社，2001)表明，通过添加 Cr、Μη、 Fe、Co、Ni、Cu、V及Zn等第3元素可以大大改善其室温脆性；通过添加 Nb、Mo等合金元素 可改善其高温性能。
[0003] 除合金化技术外，复合化技术被认为是改善TiAl基合金性能的另一种有效途径。 TiAl基复合材料综合了 TiAl金属间化合物和陶瓷的优点。相对于长纤维增强复合材料，颗 粒增强复合材料对基体和增强相的热膨胀系数不匹配性和化学反应敏感性小，且颗粒增强 复合材料具有制备简单、各向同性、易二次加工等优点。目前，三元柔性化合物M n+1AXn(M代 表过渡金属元素，A代表第III或第IV主族，X是C或N，简称MAX)因兼具金属和陶瓷的双重 优异性能，受到了广泛关注，代表性化合物有Ti 2AlC和Ti3AlC2，且Ti2AlC (8. 8 X KT6IT1)和 Ti3AlC2 (9. OX KT6IT1)与TiAl的热膨胀系数接近，成为TiAl基复合材料理想的增强相，使 Ti2AKVTiAl复合材料成为优良的高温结构材料的首选。
[0004] 目前，有关Ti2AKVTiAl基复合材料的研宄报道主要有：哈尔滨工业大学陈玉勇 等人以Ti、Al和碳纳米管为原料，采用机械合金化与等离子烧结制备Ti 2AlC/TiAl复合材 料（杨非，机械合金化与等离子烧结制备Ti2AKVTiAl复合材料的组织性能研宄，哈尔滨工 业大学：硕士学位论文，2006)，并研宄了其压缩强度和硬度等力学性能。济南大学的岳云 龙等人采用放电等离子烧结（SPS)技术原位制备了 Ti2AKVTiAl复合材料，研宄了多步热 处理对Ti2AKVTiAl显微组织与力学性能的影响（岳云龙，王志杰，吴海涛，苏通，徐言超， 多步热处理对Ti 2AKVTiAl复合材料组织与性能的影响，稀有金属材料与工程，2006,（4): 600-604)。西北工业大学曾凌霄等人采用自蔓延燃烧合成及真空电弧熔炼的方法，以碳纤 维、钛粉及铝粉为原料，合成了 Ti2AKVTiAl复合材料，研宄了反应合成过程（曾凌霄，常 辉，胡锐，张铁邦，李金山，自生Ti 2AKVTiAl复合材料的组织及反应过程，稀有金属材料与 工程，2013,（4) :785-788)。上述方法及制备体系在反应过程中放热强烈，工艺控制难度大， 且常常需要后续热处理和致密化工序，周期长，生产所需能耗大，增加了生成成本。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种Ti2AKVTiAl基复合材料及其制备方法，该方法制备 工艺简单，烧结温度低，制得的复合材料晶粒尺寸细小，增强相分布均匀，结构致密，提高了 现有TiAl基复合材料的韧性和强度。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] -种Ti2AKVTiAl基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤一、按质量分数计，将65. 78~68. 44%的Ti粉和31. 56~34. 22%的Al粉 装入球磨罐中，球磨至物料混合均匀，得到混合粉体；
[0009] 步骤二、将混合粉体烘干后装入模具中，在常压下进行烧结，从室温升温至850~ 950°C的烧结温度，在烧结温度下保温30~120分钟，然后自然冷却，得到TixAly材料，对 TixAly材料进行破碎、球磨，获得Ti xAly粉体；
[0010] 步骤三、按质量分数计，将〇~50%的Ti3AlC2粉体与50~100%的Ti xAly粉体 装入球磨罐中，球磨混合均匀后装入模具中，然后进行真空热压烧结固化，从室温升温至 1000~1200°C的烧结温度，并在烧结温度及20~40MPa的压力下保温30~240分钟，然 后自然冷却，得到Ti 2AKVTiAl基复合材料。
[0011] 所述步骤一、步骤二和步骤三中均采用湿法球磨，以无水乙醇或丙酮为球磨介质， 球料比为（5~7) : 1，在500~750转/分钟的转速下球磨1~10小时。
[0012] 所述的球磨是在行星式球磨机上进行的，采用的球磨罐为不锈钢球磨罐，采用不 锈钢球作为磨球。
[0013] 所述步骤二和步骤三中以5~KTC /分钟的升温速率从室温升至烧结温度。
[0014] 所述步骤二和步骤三中的模具为石墨模具，并在模具内部铺放有石墨纸。
[0015] 所述步骤二中的TixAly粉体由TiAl、Ti 3A1、TiAl2组成。
[0016] 所述步骤三中的真空热压烧结固化过程采取分段式施加压力，当温度升到200~ 300°C时打开加压装置，调节压力至6~8MPa，维持压力不变直到温度达到700~800°C，之 后温度每升高35~55°C时增加压力L 5~3MPa，当温度达到设定的烧结温度时，调节压力 至最大为20~40MPa，并在保温过程中维持压力不变。
[0017] Ti2AlCVTiAl基复合材料，由基体相和增强相组成，不含杂质相，其中基体相为 TiAl，增强相为Ti2AlC。
[0018] 其弯曲强度为277~994MPa，断裂韧性为5. 8~7. 3MPa · m1/2。
[0019] 所述的增强相在基体相中呈弥散状分布，且部分增强相钉扎在基体相中。
[0020] 相对于现有技术，本发明的有益效果为：
[0021] 本发明提供了一种利用11，1厂11#1(：2体系制备Ti 2AlC/TiAl基复合材料的方法， 首先利用Ti/Al之间的反应制得TixAly粉体，然后以Ti xAljP Ti 3A1C2为原料，将Ti，1#口 Ti3AKyi磨混合均匀后，再进行真空热压烧结固化，即得到Ti 2AlC/TiAl基复合材料。该方 法的制备过程中体系放热量适中，利用TixAl y粉体中TiAl 2和Ti 3A1之间的反应，使得反应 过程容易控制，极大降低了 Ti2AKVTiAl基复合材料的制备温度，且11，、粉体中的TiAl和 原料Ti3AlC 2中含有的少量TiC亦可反应形成Ti 2A1C，消除了 TiC杂质相的存在，而且在真 空热压烧结固化过程中11#1(：2完全分解转化为增强相Ti 2A1C，用于增强TiAl基体。本发明 采用了原位热压固化技术，主要通过11#1(：2的分解反应获得增强相Ti 2A1C (现有Ti2AlC/ TiAl基复合材料的增强相主要是通过合成反应形成的），该方法工艺简单易行、烧结温度 低、工艺可控性强、制备成本低、非常适合工业生产，制得的Ti 2AKVTiAl基复合材料的性能 优异、强韧化效果明显，可大大改善TiAl金属间化合物的强度和韧性，有助于实现TiAl基 合金的工程应用。
[0022] 本发明制得的Ti2AKVTiAl基复合材料结构致密，其基体相为TiAl，增强相为 Ti2AlC,增强相分布均匀，增强相与基体相之间的界面干净、晶粒尺寸细小。本发明制得的 Ti2AKVTiAl基复合材料具有高强、高韧、可加工等特点，性能得到了很大的提高，显著改善 了 TiAl基合金的弯曲强度和断裂韧性，有望用于制造航空发动机部件及超高速飞行器的 翼和壳体。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明制备的Ti2AKVTiAl基复合材料的XRD图，其中（a)为Ti3AlC 2粉的 XRD图谱，（b)为TixAly粉的XRD图谱，（c)~（e)分别为实施例1