一种ZrO₂增强Ti₅Si₃复合材料及其制备方法

专利名称：一种ZrO₂增强Ti₅Si₃复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种复合材料，本发明也涉及一种复合材料的制备方法。具体地说是一种Ti5Si3复合材料及其制备方法。
背景技术：
金属间化合物Ti5Si3具有熔点高(2130°C )、密度低(4. 32g/cm3)、高弹性模量及优异的高温抗氧化性能而受到国内外研究人员的普遍关注，有望应用在1600°C以上的航空航天机构材料中。目前，航空发动机的涡轮叶片、涡轮轴等普遍使用镍基高温合金材料，实际工作时，温度可达到其熔点的80%。所以，发明新型高温材料以代替镍基高温合金材料势在必行。然而，金属间化合物Ti5Si3的结构材料具有严重的缺陷，即Ti5Si3的室温脆性。过去，科学家们对Ti5Si3的增韧增强主要走的是合金化和复合化来增强Ti5Si3的两条主要路子，通常是把Ti5Si3和增强相粉末直接混合，然后再采用各种技术制备Ti5Si3复合材料，这种方法制备的复合材料，由于初始粉体表面存在氧化膜，制备成体材料后，通常在晶界上存在玻璃相，使高温强度急剧下降。无论是合金或金属、陶瓷颗粒或晶须，普遍存在高温抗氧化性能下降(金属的添加)、基体与增强体的化学相容性的不匹配、高温力学性能的衰减严重等致使这种复合材料很难适应高温(> 1600°c )环境下对强度和韧性的需求。研究的工作也主要是停留在实验阶段，极少有工程化的实例。专利申请号为200910273489. 9的专利文件中，公开了一种微波诱导自蔓延高温合成NVNb5Si3复合材料的方法。原料配方包括纯铌粉和纯硅粉，其配比为 Nb-(5-37. 5at. %)Si0合成工艺包括(1)首先将原料配方中各原料粉末按比例混合均勻成复合粉末；( 将上述复合粉末研磨成粒度为800目的细粉；C3)使上述研磨后的复合粉末在100-300MPa的压力下成型；(4)成型后的材料放入微波腔体中在氩气保护下用微波进行自蔓延烧结，自蔓延烧结时微波腔体内抽真空后充入流动性的氩气。

发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优异的机械性能的^O2增强Ti5Si3复合材料。本发明的目的还在于提供一种获得的材料致密、气孔率小、纯度高的增强Ti5Si3复合材料的制备方法。本发明的目的是这样实现的本发明的^O2增强Ti5Si3复合材料是由质量百分比为&025-40 %和 Ti5Si360-95% 制成。本发明的^O2增强Ti5Si3复合材料的制备方法为按照质量百分比为&025-40%和Ti5Si360_95%的比例将各原料混合；置于装有无水乙醇的容器中进行超声波分散处理30min ；将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨3 小时得到浆料；将球磨过的浆料进行冷冻干燥，然后进行研磨、过130目筛得到粉体；将粉体放入石墨模具中，在1300°C温度下烧结60min得到掺杂打^“烧结体。所述的将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨的球料比为20 1，转速为300转/min。本发明的产品是按照一定的质量百分比将各原料混合均勻，将经过超声波分散和球磨混合后的干燥粉体置于真空热压烧结炉中，在1300°c进行烧结，得到打^“基复合材料。采用本发明的方法制备的^O2掺杂Ti5Si3基复合材料，与机械合金化方法和高温自蔓延合成方法相比，得到的Ti5Si3基复合材料致密、气孔率小、纯度高。


图1是本发明涉及的热压烧结的工艺图。图2-a是纯Ti5Si3的烧结后试样的断口2_b是^O2掺杂Ti5Si3的烧结后试样的断口3-a、3_b为Ti5Si3和ZrO2掺杂Ti5Si3的烧结性能图。
具体实施例方式下面举例对本发明作更详细的描述1、按照质量百分比为和Ti5Si395%的比例将各原料混合；置于装有无水乙醇的容器中进行超声波分散处理30min ；将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨3小时， 球料比为20 1，转速为300转/min;将球磨过的浆料进行冷冻干燥，然后进行研磨、过130 目筛；将准备好的粉体放入石墨模具中，在1300°C温度下烧结60min得到掺杂Ti5Si3 烧结体。2、按照质量百分比为和Ti5Si390%的比例将各原料混合；置于装有无水乙醇的容器中进行超声波分散处理30min ；将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨3小时， 球料比为20 1，转速为300转/min;将球磨过的浆料进行冷冻干燥，然后进行研磨、过130 目筛；将准备好的粉体放入石墨模具中，在1300°C温度下烧结60min得到掺杂Ti5Si3 烧结体。3、按照质量百分比为和Ti5Si385%的比例将各原料混合；置于装有无水乙醇的容器中进行超声波分散处理30min ；将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨3小时， 球料比为20 1，转速为300转/min;将球磨过的浆料进行冷冻干燥，然后进行研磨、过130 目筛；将准备好的粉体放入石墨模具中，在1300°C温度下烧结60min得到掺杂Ti5Si3 烧结体。4、按照质量百分比为和Ti5Si380%的比例将各原料混合；置于装有无水乙醇的容器中进行超声波分散处理30min ；将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨3小时， 球料比为20 1，转速为300转/min;将球磨过的浆料进行冷冻干燥，然后进行研磨、过130 目筛；将准备好的粉体放入石墨模具中，在1300°C温度下烧结60min得到^O2掺杂Ti5Si3 烧结体。5、按照质量百分比为和Ti5Si375%的比例将各原料混合；置于装有无水乙醇的容器中进行超声波分散处理30min ；将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨3小时， 球料比为20 1，转速为300转/min;将球磨过的浆料进行冷冻干燥，然后进行研磨、过130 目筛；将准备好的粉体放入石墨模具中，在1300°C温度下烧结60min得到掺杂Ti5Si3烧结体。6、按照质量百分比为和Ti5Si370%的比例将各原料混合；置于装有无水乙醇的容器中进行超声波分散处理30min ；将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨3小时， 球料比为20 1，转速为300转/min;将球磨过的浆料进行冷冻干燥，然后进行研磨、过130 目筛；将准备好的粉体放入石墨模具中，在1300°C温度下烧结60min得到掺杂Ti5Si3 烧结体。7、按照质量百分比为和Ti5Si365%的比例将各原料混合；置于装有无水乙醇的容器中进行超声波分散处理30min ；将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨3小时， 球料比为20 1，转速为300转/min;将球磨过的浆料进行冷冻干燥，然后进行研磨、过130 目筛；将准备好的粉体放入石墨模具中，在1300°C温度下烧结60min得到掺杂Ti5Si3 烧结体。8、按照质量百分比为和Ti5Si360%的比例将各原料混合；置于装有无水乙醇的容器中进行超声波分散处理30min ；将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨3小时， 球料比为20 1，转速为300转/min;将球磨过的浆料进行冷冻干燥，然后进行研磨、过130 目筛；将准备好的粉体放入石墨模具中，在1300°C温度下烧结60min得到掺杂Ti5Si3 烧结体。通过在上述具体实施方式
实，应用热压烧结技术结合超声波和球磨工艺，获得了致密度高于94%，断裂韧性提高了 53%，抗弯强度提高了 56%，维氏硬度提高了的 ZrO2掺杂Ti5Si3基复合材料。比较例将纯Ti5Si3在装有无水乙醇的烧杯中进行超声波分散30min ；将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨3小时，其中球料比为20 1，转速为300转/min ；球磨后的浆料经过冷冻干燥、研磨、过筛后放入石墨模具中，在1300°C烧结60min得到Ti5Si3烧结体。球磨时，细化了粉体的颗粒，增加粉末的活性，利于降低烧结的表观活化能和烧结温度。在烧结时由于粉体的细化，增加了颗粒的接触面积，利于烧结过程中气体的挥发和物质之间的流动和扩散。ZrO2的加入，通过相变增韧和细化晶粒，明显的改善了 Ti5Si3的室温力学性能。
权利要求
1.一种^O2增强Ti5Si3复合材料，其特征是由质量百分比为&025-40 %和 Ti5Si360-95% 制成。
2.—种增强Ti5Si3复合材料的制备方法，其特征是按照质量百分比为 &025-40%和Ti5Si360-95%的比例将各原料混合；置于装有无水乙醇的容器中进行超声波分散处理30min ；将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨3小时得到浆料；将球磨过的浆料进行冷冻干燥，然后进行研磨、过130目筛得到粉体；将粉体放入石墨模具中，在1300°C温度下烧结60min得到^O2掺杂Ti5Si3烧结体。
3.根据权利要求2所述的^O2增强Ti5Si3复合材料的制备方法，其特征是所述的将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨的球料比为20 1，转速为300转/min。
全文摘要
本发明提供的是一种ZrO2增强Ti5Si3复合材料及其制备方法。按照质量百分比为ZrO25-40％和Ti5Si360-95％的比例将各原料混合；置于装有无水乙醇的容器中进行超声波分散处理30min；将分散好的溶液放入球磨罐中进行球磨3小时得到浆料；将球磨过的浆料进行冷冻干燥，然后进行研磨、过130目筛得到粉体；将粉体放入石墨模具中，在1300℃温度下烧结60min得到ZrO2掺杂Ti5Si3烧结体。采用本发明的方法制备的ZrO2掺杂Ti5Si3基复合材料，与机械合金化方法和高温自蔓延合成方法相比，得到的Ti5Si3基复合材料致密、气孔率小、纯度高。
文档编号C04B35/622GK102211939SQ20111013033
公开日2011年10月12日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者刘明, 方双全, 黄莹 申请人:哈尔滨工程大学