一种Ti2AlC增强钛基复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种ti2alc增强钛基复合材料及其制备方法和应用，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术：

钛及钛合金是制造客运大飞机、军机等航空航天工业方面的重要金属材料，具有强度好、密度低、抗蚀性好等优点。钛合金的密度在4.6g/cm³左右，在应用于航空航方面时，在降低机体重量的同时，可以提升其强度，使得制造的飞机达到轻量化的要求，适合于对于重量有着敏感要求的机体构件制造。同时，金属钛可与氧反应，在其表面形成一层致密的氧化膜，使得金属本身不受到外界环境的腐蚀，从而获得良好的抗腐蚀性能，在海水、大气以及大多数酸碱盐中仍具有良好的抗蚀性。

max相是一种三元层状金属性陶瓷材料，一般通式为mn+1axn，其中m为过渡金属元素，一般为sc、ti、v、cr、zr、nb、mo、hf和ta；a为在元素周期表13-16列的主族元素，一般为al、si、p、s、ga、ge、in、sn、tl和pb，另外cd也可作为max相中a的元素；x为c或者n；n＝1-3。max相综合了陶瓷材料和金属材料的一些优点，包括低密度、高模量、良好的导电和导热性能、抗热震性、低摩擦系数、自润滑等，这一系列优良的性质使其具有较为广阔的前景。

钛基复合材料通常所使用的增强相有tib2、tic、sic、al2o3、y2o3等陶瓷材料，这些陶瓷材料属于硬脆性材料，可显著提高钛合金的强度和模量，提高基体的耐磨损性能，但基体钛与陶瓷材料的界面反应使得两者之间的相容性差，以及陶瓷材料的本质脆性大，因此使得陶瓷增强钛基复合材料的延展性较大幅度降低。max金属性陶瓷材料增强的金属基复合材料已经有报道，如黄振莺等的专利“一种ti3alc2增强fe基复合材料及其原位热挤压制备方法”(cn104060173a)中，ti3alc2通过热挤压的方式添加到fe基体中，两者结合良好，其屈服强度、拉伸强度和硬度都有明显的提高。翟洪祥等的专利“一种ti3alc2/fe基复合材料的无压渗透制备”(cn104862575a)中，ti3alc2通过无压高温浸渗的方式添加至fe基体中，形成空间连续分布，界面结合良好，屈服强度、压缩强度和硬度都有提升。将max相作为金属基复合材料增强相具有广阔的应用前景，然而目前还没有ti2alc增强钛基复合材料的报道。

技术实现要素：

发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供一种ti2alc增强钛基复合材料及其制备方法和应用。ti2alc作为max相之一，具有陶瓷的硬度和强度以及金属的韧性和耐冲击性能，且与钛及钛合金具有良好的界面相容性。因此使用ti2alc做为钛基复合材料的增强相，能够提高钛及钛合金的力学性能。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明公开了一种ti2alc增强钛基复合材料，其主要是由ti2alc和基体钛组成；其中ti2alc为增强体，均匀地或呈网络状分散在基体钛中。

本发明所述的ti2alc增强钛基复合材料是把ti2alc颗粒作为增强相加入金属钛基体中。ti2alc颗粒作为增强相，具有低密度和高强韧性，且与基体钛具有较好的界面状态，ti2alc颗粒分散在基体钛中，可以提高钛的硬度、强度和弹性模量(刚性)并保持塑性，使得ti2alc增强钛基复合材料具有优异的综合力学性能。

作为优选，以质量比计，所述ti2alc的添加比例为基体钛质量的0.01％-3.0％，更优选0.5％-2％。

作为另一种优选，所述ti2alc的颗粒尺寸为1-50μm，所述基体钛的颗粒尺寸为1-200μm。

作为另一种优选，所述基体钛为纯钛，tc4钛合金，ta15钛合金，tc21钛合金等。

本发明还提供了所述ti2alc增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)液相化学混合：取ti2alc粉末，加入无水乙醇，超声波振荡10-30min，然后加入基体钛颗粒，再振荡10-30min，得到混合的ti2alc与基体钛溶液；

(2)球磨机械混合：将步骤(1)所得产品以球料比5:1-20:1的比例置于球磨罐中，在球磨机上以转速为100-300r/min的转速，正反交替旋转，球磨3-10h；

(3)干燥：将球磨混合好的粉末抽真空干燥5-20h，干燥温度为60-120℃，完全干燥后的粉末用80-400目的筛子过筛；

(4)烧结成型：根据需要的产品的尺寸参数，去步骤(3)所得产品，进行烧结成型，即得。

作为优选，步骤(4)中：

所述烧结成型工艺，可以选择真空无压烧结，热压烧结，放电等离子烧结或气压烧结，所用的烧结气氛为真空或者高纯氩气，轴向机械压力为10-100mpa(优选30-60mpa)，升温速度为5-200℃/min(优选10-100℃/min)，温度为900-1350℃(优选1050-1350℃)，在最高温度的保温时间为5-120min。

具体制备流程如下：

(1)计算称量原始粉末：称量相应质量的钛粉末和ti2alc粉，ti2alc粉末相对于钛基体的质量分数分别为0.01wt％-3.0wt％。

(2)液相化学混合：取步骤(1)中的相应质量分数的ti2alc粉末置于烧杯中，加入无水乙醇，超声波振荡10-30min，然后加入步骤(1)中称量的基体钛颗粒，再振荡10-30min，得到混合的ti2alc与基体钛溶液。

(3)球磨机械混合：将步骤(2)所得产品以球料比5:1-20:1(优选10:1)的比例置于球磨罐中，在球磨机上以转速为100-300r/min(优选180-250r/min)的转速，正反交替旋转，球磨3-10h(优选5-6h)。

(4)干燥：将球磨混合好的粉末抽真空干燥5-20h，干燥温度为60-120℃，完全干燥后的粉末用80-400目的筛子过筛。

(5)烧结成型：根据需要的产品的尺寸参数，去步骤(4)所得产品，进行烧结成型即得。

(6)组织结构分析与性能测试：对样品分别用x射线衍射仪进行物相分析，应用显微硬度计测量显微硬度，微机控制电子万能试验进行压缩试验，最后采用扫描电子显微镜对断口形貌进行观测分析。

本发明所得钛基复合材料中，ti2alc作为max相陶瓷材料代表之一具有三元层状结构，其综合了陶瓷材料和金属材料的优点，包括低密度、高模量、高韧性、良好的导电和导热性能、抗热震性、低摩擦系数、自润滑等，与钛基体的界面结合良好，能够使钛合金的硬度、强度、弹性模量和耐磨性能有显著提升并保持较高的塑形。所得复合材料能够应用于汽车制造及航空航天制造工业，包括制造飞机承力框、壁板、承载梁，以及航天器的轻质刚性构件，性能优异。

技术效果:相对于现有普遍采用陶瓷颗粒作为增强相的技术现状，本发明的优势在于，以金属性陶瓷ti2alc作为钛合金的增强相，利用ti2alc的高强度、高韧性以及与钛良好的界面润湿状态，使ti2alc能在基体钛中均匀的或者网络状分布，使得ti2alc增强钛基复合材料具有较高的硬度、强度、弹性模量和耐磨性能，并大幅的减少塑性的降低，获得优异的综合力学性能。制备方法简单易行，取得良好的强韧化效果。

附图说明

图1为不同ti2alc含量的钛基复合材料的x射线衍射仪图谱；

图2为不同ti2alc含量的钛基复合材料的显微硬度趋势图；

图3为不同ti2alc含量的钛基复合材料的压缩应力应变趋势图

图4为ti2alc增强钛基复合材料的金相显微镜图；

图5为ti2alc增强钛基复合材料的扫描电子显微镜图；

图6为ti2alc增强钛基复合材料的压缩断面的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术解决方案。

实施例1

放电等离子技术烧结生产ti2alc增强钛基复合材料，采用ti2alc粉末与球形ta1纯钛粉末为原料。制备直径为20mm以及高度为12mm的圆柱形复合材料烧结体。

具体步骤如下：

(1)称量10gta1粉末(纯度为99.5％)与质量分数为0.5wt％的ti2alc粉末，首先称取好的ti2alc粉末置于烧杯中，加入无水乙醇，通过超声波振荡仪振荡20min，再将称取好的ta1粉末加入以上溶液，重复上述振荡操作20min。

(2)取初步混合好的粉末溶液，按球料比为10:1的比例置于球磨罐中，球磨介质为无水乙醇，在行星球磨机上以250r/min的转速，先后正反转2.5h的程序，球磨时间为5h，充分球磨，使其均匀混合。

(3)将球磨好的原始粉末置于真空干燥箱中抽真空干燥6h，干燥温度为120℃，完全干燥后用80目筛子过筛。

(4)确定烧结后的产品的尺寸参数：直径为20mm，高度为12mm。按照密度公式计算所需粉末质量为16.96g。

(5)称取16.96g筛好的粉末，，用放电等离子烧结技术(sps)烧结制备ti2alc增强钛基复合材料，烧结参数为：在真空气氛、压力60mpa、温度为1050℃，测温方式为红外测温的条件下烧结10min。其中升温速度为100℃/min。将烧结后的产品用阿基米德法测相对密度，计算得致密度为99.37％。

实施例2

热压烧结生产ti2alc增强钛基复合材料，采用ti2alc粉末与球形ta15粉末为原料。制备直径为20mm以及高度为12mm的圆柱形复合材料烧结体。

具体步骤如下：

(1)称量10gta15粉末(纯度为99％)与质量分数为1.0wt％的ti2alc粉末，首先称取好的ti2alc粉末置于烧杯中，加入无水乙醇，通过超声波振荡仪振荡15min，再将称取好的ta15粉末加入以上溶液，重复上述振荡操作30min。

(2)取初步混合好的粉末溶液，按球料比为10:1的比例置于球磨罐中，球磨介质为无水乙醇，在行星球磨机上以250r/min的转速，先后正反转2.5h的程序，球磨时间为5h，充分球磨，使其均匀混合。

(3)将球磨好的原始粉末置于真空干燥箱中抽真空干燥5h，干燥温度为100℃，完全干燥后用80目筛子过筛。

(4)确定烧结后的产品的尺寸参数：直径为20mm，高度为12mm。按照密度公式计算所需粉末质量为16.92g。

(5)称取16.92g筛好的粉末，用热压烧结制备ti2alc增强钛基复合材料，烧结参数为：在真空气氛、压力30mpa、温度为1300℃，测温方式为红外测温的条件下烧结60min。其中升温速度为5℃/min。将烧结后的产品用阿基米德法测相对密度，计算得致密度为99.34％。

实施例3

真空无压烧结生产ti2alc增强钛基复合材料，采用ti2alc粉末与球形tc4粉末为原料。制备直径为20mm以及高度为15mm的圆柱形复合材料烧结体。具体步骤如下：

(1)称量10gtc4粉末(纯度为99％)与质量分数为1.5wt％的ti2alc粉末，首先称取好的ti2alc粉末置于烧杯中，加入无水乙醇，通过超声波振荡仪振荡10min，再将称取好的tc4粉末加入以上溶液，重复上述振荡操作25min。

(2)取初步混合好的粉末溶液，按球料比为10:1的比例置于球磨罐中，球磨介质为无水乙醇，在行星球磨机上以200r/min的转速，先后正反转3h的程序，球磨时间为6h，充分球磨，使其均匀混合。

(3)将球磨好的原始粉末置于真空干燥箱中抽真空干燥8h，干燥温度为80℃，完全干燥后用80目筛子过筛。

(4)确定烧结后的产品的尺寸参数：直径为20mm，高度为12mm。按照密度公式计算所需粉末质量为16.92g。

(5)称取16.92g筛好的粉末，，用无压烧结制备ti2alc增强钛基复合材料，烧结参数为：在真空气氛、温度为1350℃，测温方式为红外测温的条件下烧结120min。其中升温速度为10℃/min。将烧结后的产品用阿基米德法测相对密度，计算得致密度为99.39％。

实施例4

气压烧结生产ti2alc增强钛基复合材料，采用ti2alc粉末与球形tc21粉末为原料。制备直径为20mm以及高度为10mm的圆柱形复合材料烧结体。

具体步骤如下：

(1)称量10gtc21粉末(纯度为99％)与质量分数为2.0wt％的ti2alc粉末，首先称取好的ti2alc粉末置于烧杯中，加入无水乙醇，通过超声波振荡仪振荡30min，再将称取好的tc21粉末加入以上溶液，重复上述振荡操作15min。

(2)取初步混合好的粉末溶液，按球料比为10:1的比例置于球磨罐中，球磨介质为无水乙醇，在行星球磨机上以180r/min的转速，先后正反转2.5h的程序，球磨时间为5h，充分球磨，使其均匀混合。

(3)将球磨好的原始粉末置于真空干燥箱中抽真空干燥12h，干燥温度为60℃，完全干燥后用80目筛子过筛。

(4)确定烧结后的产品的尺寸参数：直径为20mm，高度为12mm。按照密度公式计算所需粉末质量为16.92g。

(5)称取16.92g筛好的粉末，，用气压烧结制备ti2alc增强钛基复合材料，烧结参数为：在高纯氩气气氛、气体压力30mpa、温度为1300℃，测温方式为红外测温的条件下烧结60min。其中升温速度为20℃/min。将烧结后的产品用阿基米德法测相对密度，计算得致密度为98.80％。

图1为加入不同含量的ti2alc增强钛基复合材料的xrd图谱，可见得到产品为钛，由于所加ti2alc含量较少，无法检测到ti2alc的峰。

图2为不同ti2alc含量复合材料的显微硬度趋势图，可见随着ti2alc含量的增加，硬度逐渐升高，当ti2alc含量达到1.5wt％时，其硬度达到最大值，但当ti2alc含量达到2.0wt％时，硬度降低，这可能是由于随着ti2alc含量的增加，ti2alc发生团聚，孔隙增加，导致硬度降低。

图3为不同ti2alc含量的钛基复合材料的压缩应力应变趋势图，从图中可以看出，添加量在1.0wt％以下时，材料的强度有所提高，而塑性的下降很小，

图4为ti2alc含量为1.5wt％的钛基复合材料的金相显微镜图，可见增强体均匀地分布在基体颗粒周围。

图5为ti2alc含量为2.0wt％的钛基复合材料的扫描电子显微镜图，可见增强体与基体界面反应良好，两者有很好地相容，能切实增强其力学性能。

图6为ti2alc含量为1.5wt％的钛基复合材料的压缩断面的扫描电子显微镜图，可见在断口处有较多韧窝存在，由此可以判断为韧性断裂。