一种(Ti,Cr)₃AlC₂/Al₂O₃复合材料及其制备方法

专利名称：一种(Ti,Cr)₃AlC₂/Al₂O₃复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属复合材料制造领域，特别涉及一种(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料及其制备方法。
背景技术：
近年来，新型层状陶瓷材料Ti3AlC2以其优异性能吸引了国内外众多学者的广泛研究。Ti3AlC2具有金属的性能，如在常温下具有很好的导热性和导电性、较低的维氏硬度、 较高的弹性模量和剪切模量，在室温下可进行传统的机械加工，在较高温度下能产生塑性变形；该材料又具有陶瓷的性能，如高熔点、高温热稳定性和良好的抗氧化性能。但该材料也存在烧结温度高，温度范围小，以及硬度低、强度比较小等缺点而限制了其进一步应用。为改善Ti3AlC2材料的性能，人们利用固溶强韧化和复合化的手段对其进行了改性研究，取得了较好的效果。如文献报道(Surface &Coatings Technology 203 Q009) 3595-3609)利用单质Cr元素进行固溶改性研究，使材料力学性能得到了很大的提高，但该方法原料成本较高，同时合成温度较高，不利于其产业化生产；也有文献 (ScriptaMaterialia 50(2004)897-901)报道利用 Al2O3 颗粒能对 Ti3AlC2 材料性能进行改性。但目前所采用的方法都比较单一，同时，在制备方法上主要以Al2O3和Ti3AlC2两种粉体混合进行烧结，或者以Al、C、TiO2为原料高温通过还原反应生成Ti3AlC2Al2O3复合材料， 但不管那种工艺，都存在反应温度高而强度相对较低等不足，无法大规模产业化生产。文献 (Advanced Powder Technology 03(2010) 1-4)报道了利用高能球磨合成 Ti3AlC2Al2O3 复合材料的新方法，该方法所合成的材料在性能上有了很大的提高，但高能球磨难以工业化生产，同时，并没有对基体相进行固溶改性。因此，如何采取有效的途径，利用低廉的材料合成Al2O3颗粒强韧化的固溶型Ti3AlC2复合材料将会成为今后的研究重点。

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(Ti，Cr)3AlC2/Al203 复合材料及其制备方法，利用Ti-Al-C-Cr2O3体系为原料，通过铝热反应原位反应工艺低温制备Al2O3强化的Ti3AlC2固溶体复合材料；该方法利用廉价氧化物Cr2O3替代了昂贵的金属单质，降低了原料成本；利用铝热还原反应自身的反应热，降低了材料的合成温度，同时原位生成的Al2O3增强相颗粒细小、均勻，使材料的性能得到了很大的提高，所制备的材料具有高强、致密、耐高温、可加工的特点。为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种(Ti，Cr) 3A1C2/A1203复合材料，其初始原料为纯度大于等于99%，细度小于等于200目的金属Ti粉、Al粉、C粉以及金属氧化物Cr2O3，按以下反应式进行配比3(l-x)Ti+(l+3x)Al+2C+3x/2Cr203 ^ (Ti1^xCrx) 3A1C2+3x/2A1203 (1) (χ = 0. 0064 0. 2555)，结果为一种(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料，原料组成成分为Ti粉占总重量的43. 06 72. 82%，Al粉占总重量的14. 03 19. 19%，C粉占总重量的9. 67 12. 26%和 Cr2O3粉占总重量的0. 89 28. 08%。一种(Ti，Cr) 3A1C2/A1203复合材料的制备方法，步骤如下步骤一、首先将纯度大于等于99%，细度小于等于200目的金属Ti粉、Al粉、碳粉以及金属氧化物Cr2O3按以下配比称量，Ti粉占总重量的43. 06 72. 82%, Al粉占总重量的14. 03 19. 19%, C粉占总重量的9. 67 12. 26%和Cr2O3粉占总重量的0. 89 28. 08% ；步骤二、将步骤一中的配料放入氧化铝球磨罐中在行星式球磨机上进行混合球磨，以无水乙醇为球磨介质，球磨机的转速为600 900转每分钟，料球乙醇的质量比 =1:3: 1，球磨0. 5 1. 5小时；步骤三、将步骤二所得的球磨粉体在40 50°C下干燥4 8小时；步骤四、将步骤三所得的干燥后的粉体装入石墨模具中，在真空或氩气条件下， 1100°C 1400°C，5. 0 30MPa的压力热压烧结1 2小时；步骤五、将步骤四所得材料自然冷却至室温即可得到(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料。本发明所合成的(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料，其特征是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81. 5 99. 5%%，增强相占总重量的0. 5-18. 5%, 基体相为OVx，Crx)3AlC2，其中χ取0.0064 0. 2555，增强相为Al2O315如果生成的复合材料中Al2O3生成量小于产物质量的0. 5%则起不到增强、增韧Ti3AlC2基体的作用，反之， 如果产物中Al2O3相量超过Ti3AlC2基体相的含量，不能称之为Ti3AlC2基复合材料，同时， Al2O3生成量将超过18. 5%，过量的Al2O3不但起不到改善Ti3AlC2的作用，反而会恶化其性能。因此确定了以上组分范围。本发明利用Ti粉、Al粉、C粉以及Cr2O3粉体为原料，通过铝热反应在基体相生成的过程中自生颗粒增强相Al2O3 ；同时还原出的金属单质Cr对Ti3AlC2进行固溶强化。从而制备了 Al2O3弥散强韧化的细晶Ti3AlC2固溶体复合材料。由于该工艺所合成的材料成分可调性大，烧成温度低，结构均勻致密，成本较低，力学性能优异，拓宽了该复合材料的应用范围。


图1为实例一所得试样的物相分析结果；横坐标为衍射角，纵坐标为衍射峰强度， 其中基体相为(Tia 9468Cratl532) 3AlC2 ；增强相为A1203。图2为实例二所得试样的物相分析结果；横坐标为衍射角，纵坐标为衍射峰强度， 其中基体相为(Tia 974tlCraci26tl)3AlC2 ；增强相为 A1203。
具体实施例方式实施例一一种(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料，原料组成成分为270目的Ti粉占总重量的 65. 84%,200目的Al粉占总重量的16. 66%、1200目的C粉占总重量的10. 47%, Cr2O3粉占总重量的7. 03%。
本实施例的制备工艺步骤如下步骤一、首先将纯度大于等于99%，细度小于等于200目的金属Ti粉、Al粉、碳粉以及金属氧化物Cr2O3按以下配比称量，270目的Ti粉占总重量的65. 84%、200目的Al粉占总重量的16. 66%、1200目的C粉占总重量的10. 47%、Cr203粉占总重量的7. 03% ；步骤二、将步骤一中的配料放入氧化铝球磨罐中在行星式球磨机上进行混合球磨，以无水乙醇为球磨介质，球磨机的转速为800转每分钟，料球乙醇的质量比= 1:3: 1，球磨1小时；步骤三、将步骤二所得的球磨粉体在44°C下干燥6小时；步骤四、将步骤三所得的干燥后的粉体装入石墨模具中，在真空条件下，1360°C， 16MPa的压力热压烧结2小时；步骤五、将步骤四所得材料自然冷却至室温即可得到(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料。本实施例所合成的(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料，参照图1，其特征在于，它由基体相和增强相两部分组成，其中基体相(Tia 9477，Cr0.0523) 3AlC2占总重量的96%，Al2O3相占产物总质量的4%。实施例二一种(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料，原料组成成分为270目的Ti粉占总重量的 69. 73%,200目的Al粉占总重量的15. 95%,1200目的C粉占总重量的10. 78%, Cr2O3粉占总重量的3. 54% ο本实施例的制备工艺步骤如下步骤一、首先将纯度大于等于99%，细度小于等于200目的金属Ti粉、Al粉、碳粉以及金属氧化物Cr2O3按以下配比称量，270目的Ti粉占总重量的69. 73%,200目的Al粉占总重量的15. 95%、1200目的C粉占总重量的10. 78%、Cr2O3粉占总重量的3. 54% ；步骤二、将步骤一中的配料放入氧化铝球磨罐中在行星式球磨机上进行混合球磨，以无水乙醇为球磨介质，球磨机的转速为800转每分钟，料球乙醇的质量比= 1:3: 1，球磨1小时；步骤三、将步骤二所得的球磨粉体在44°C下干燥6小时；步骤四、将步骤三所得的干燥后的粉体装入石墨模具中，在真空条件下，1250°C， 16MPa的压力热压烧结2小时；步骤五、将步骤四所得材料自然冷却至室温即可得到(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料。本实施例所合成的(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料，其特征在于，它由基体相和增强相两部分组成，其中基体相(Tia 974tl, Cr0.02J3AlC2占总重量的98%，Al2O3相占产物总质量
2 % ο参照图2，表明该材料基体相由(Ti，CiO3AlC2相，含有少量杂质TiC相，增强相为 Al2O3 相。实施例三一种(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料，原料组成成分为270目的Ti粉占总重量的 57. 89%,200目的Al粉占总重量的17. 96%,1200目的C粉占总重量的10. 35%, Cr2O3粉占总重量的13. 80%。本实施例的制造方法，包括以下步骤步骤一、首先将纯度大于等于99%，细度小于等于200目的金属Ti粉、Al粉、碳粉以及金属氧化物Cr2O3按以下配比称量，270目的Ti粉占总重量的57. 89%、200目的Al粉占总重量的17. 96%、1200目的C粉占总重量的10. 35%、Cr2O3粉占总重量的13. 80% ；步骤二、将步骤一中的配料放入氧化铝球磨罐中在行星式球磨机上进行混合球磨，以无水乙醇为球磨介质，球磨机的转速为800转每分钟，料球乙醇的质量比= 1:3: 1，球磨1小时；步骤三、将步骤二所得的球磨粉体在44°C下干燥6小时；步骤四、将步骤三所得的干燥后的粉体装入石墨模具中，在真空条件下，1360°C， 16MPa的压力热压烧结2小时；步骤五、将步骤四所得材料自然冷却至室温即可得到(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料。本实施例所合成的(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料，其特征在于，它由基体相和增强相两部分组成，其中基体相(Tia 8886，Cram4)3A1C2占总重量的92%，Al2O3相占产物总质量 8%。
权利要求
1.一种(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料，其特征在于，原料组成成分为Ti粉占总重量的 43. 06 72. 82%，Al粉占总重量的14. 03 19. 19%，C粉占总重量的9. 67 12. 26%和 Cr2O3粉占总重量的0. 89 28. 08%。
2.根据权利要求1所述的一种(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料，其特征在于，原料组成成分为270目的Ti粉占总重量的65. 84%、200目的Al粉占总重量的16. 66%、1200目的C 粉占总重量的10. 47%、Cr2O3粉占总重量的7.03%。
3.根据权利要求1所述的一种(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料，其特征在于，原料组成成分为270目的Ti粉占总重量的69. 73%,200目的Al粉占总重量的15. 95%、1200目的C 粉占总重量的10. 78%、Cr2O3粉占总重量的3. 54% 0
4.一种(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下步骤一、首先将纯度大于等于99%，细度小于等于200目的金属Ti粉、Al粉、碳粉以及金属氧化物Cr2O3 按以下配比称量，Ti粉占总重量的43. 06 72. 82%，Al粉占总重量的14. 03 19. 19%, C粉占总重量的9. 67 12. 26%和Cr2O3粉占总重量的0. 89 28. 08% ；步骤二、将步骤一中的配料放入氧化铝球磨罐中在行星式球磨机上进行混合球磨， 以无水乙醇为球磨介质，球磨机的转速为600 900转每分钟，料球乙醇的质量比= 1:3: 1，球磨0. 5 1. 5小时；步骤三、将步骤二所得的球磨粉体在40 50°C下干燥4 8小时；步骤四、将步骤三所得的干燥后的粉体装入石墨模具中，在真空或氩气条件下， 1100°C 1400°C，5. 0 30MPa的压力热压烧结1 2小时；步骤五、将步骤四所得材料自然冷却至室温即可。
5.根据权利要求4所述的一一种(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下步骤一、首先将纯度大于等于99%，细度小于等于200目的金属Ti粉、Al粉、碳粉以及金属氧化物Cr2O3按以下配比称量，270目的Ti粉占总重量的65. 84%、200目的Al粉占总重量的16. 66%、1200目的C粉占总重量的10. 47%、Cr203粉占总重量的7. 03% ；步骤二、将步骤一中的配料放入氧化铝球磨罐中在行星式球磨机上进行混合球磨，以无水乙醇为球磨介质，球磨机的转速为800转每分钟，料球乙醇的质量比=1 3 1， 球磨1小时；步骤三、将步骤二所得的球磨粉体在44°C下干燥6小时；步骤四、将步骤三所得的干燥后的粉体装入石墨模具中，在真空条件下，1360°C，16MPa 的压力热压烧结2小时；步骤五、将步骤四所得材料自然冷却至室温即可。
6.根据权利要求4所述的一种(Ti，Cr)3AlC2/Al203复合材料的制备方法，其特征在于， 步骤如下步骤一、首先将纯度大于等于99%，细度小于等于200目的金属Ti粉、Al粉、碳粉以及金属氧化物Cr2O3按以下配比称量，270目的Ti粉占总重量的69. 73%,200目的Al粉占总重量的15. 95%、1200目的C粉占总重量的10. 78%、Cr2O3粉占总重量的3. 54% ；步骤二、将步骤一中的配料放入氧化铝球磨罐中在行星式球磨机上进行混合球磨，以无水乙醇为球磨介质，球磨机的转速为800转每分钟，料球乙醇的质量比=1 3 1，球磨1小时；步骤三、将步骤二所得的球磨粉体在44°C下干燥6小时；步骤四、将步骤三所得的干燥后的粉体装入石墨模具中，在真空条件下，1250°C，16MPa 的压力热压烧结2小时；步骤五、将步骤四所得材料自然冷却至室温即可。
7.—种(Ti，Cr)3AlC2/Al203固溶体复合材料，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81. 5 99. 5%%，增强相占总重量的0. 5-18. 5%，基体相为(Tih，Crx) 3A1C2，其中 χ 取 0. 0064 0. 2555，增强相为 Al2O30
8.根据权利要求7所述的一种(Ti，Cr)3AlC2/Al203固溶体复合材料，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96%%，增强相占总重量的4%， 基体相为(TiQ.9477，Cratl523) 3A1C2，增强相为 A1203。
9.根据权利要求7所述的一种(Ti，Cr)3AlC2/Al203固溶体复合材料，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98%，增强相占总重量的2%，基体相为(Ti 0. 9740，Cratl2J3AlC2，增强相为 A1203。
全文摘要
一种(Ti，Cr)3AlC2/Al2O3复合材料及其制备方法，按Ti粉占总重量的43.06～72.82％，Al粉占总重量的14.03～19.19％，C粉占总重量的9.67～12.26％和Cr2O3粉占总重量的0.89～28.08％的比例经热压烧结工艺，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弥散相强化基体相Ti3AlC2的细晶复合材料，并利用反应生成的Cr对基体相进行固溶强化；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。
文档编号C22C32/00GK102181765SQ201010623870
公开日2011年9月14日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者朱建锋, 杨海波, 林营, 王芬, 王莉丽, 韩娜 申请人:陕西科技大学