一種(Ti,Zr)<sub>2</sub>AlC/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>固溶體複合材料及其製備方法
2024-04-02 19:57:05 1
專利名稱：一種(Ti,Zr)2AlC/Al2O3固溶體複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明屬複合材料製造領域，特別涉及一種(Ti，Zr)2AlC/Al203.固溶體複合材料及其製備方法。
背景技術：
新型層狀陶瓷材料Ti2AlC以其優異性能吸引了國內外眾多學者的探索與研究。它既具有金屬的性能，如在常溫下具有很好的導電導熱性、較低的維氏硬度、較高的彈性模量和剪切模量、室溫下可進行傳統的機械加工，在較高溫度下具有塑性；該材料又具有陶瓷的性能，如高熔點、高熱穩定性和良好的抗氧化性能。但該材料也存在燒結溫度高，溫度範圍小，以及硬度低、強度比較小等缺點而限制了其進一步應用。近年來，為改善Ti2AlC材料的性能，人們利用固溶強韌化和複合化的手段對其進行了改性研究，取得了較好的效果。如文獻報導(Scripta Materialia 53 (2005) 1369-1372)利用單質V元素進行固溶改性研究，使其力學性能得到了很大的提高，同樣方法可以利用ττ元素進行固熔改性研究，但該方法原料成本較高，同時合成溫度較高，不利於其產業化生產；也有文獻(Scripta Materialia 50(2004)897-901)報導利用 Al2O3顆粒能對與Ti2AlC具有相似結構的Ti3AlC2材料性能進行改性。但目前所採用的方法都比較單一，同時，在製備方法上主要以Al2O3和Ti2AlC兩種粉體混合進行燒結，或者以Al、 C^TiO2為原料高溫通過還原反應生成Ti2AlC/Al203複合材料，但不管那種工藝，都存在反應溫度高，而強度不足，無法大規模產業化生產。專利00091021^90. 8)報導了利用高能球磨合成Ti2AlC/Al203複合材料的新方法，該方法所合成的材料在性能上有了很大的提高，但高能球磨難以工業化生產，同時，並沒有對基體相進行固溶改性。因此，如何採取有效的途徑，利用低廉的材料合成Al2O3顆粒強韌化的固溶型Ti2AlC複合材料是今後的研究重點。
發明內容
為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種(Ti，&)2AlC/Al203固溶體複合材料及其製備方法，利用Ti-Al-C-^O2體系為原料，通過鋁熱反應原位反應工藝低溫製備Al2O3強化的Ti2AlC固溶體複合材料；該方法利用廉價氧化物^O2替代了昂貴的金屬單質，降低了原料成本；利用鋁熱還原反應自身的反應熱，降低了材料的合成溫度，同時原位生成的Al2O3增強相顆粒細小、均勻，使材料的性能得到了很大的提高；所製備的材料具有高強、緻密、耐高溫、可加工的性能特點。為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的一種(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料，其初始原料為純度大於等於99%，細度小於等於200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉以及金屬氧化物^O2按以下反應式進行配比2 (1-x) Ti+(l+8x/3) Al+C+2xZr02 — (Ti1^xZrx) 2A1C+4x/3A1203 (1) (χ = 0. 005 0. 2241)，結果為 Ti :39. 38 70. 08wt %, Al :20. 11 22. 85wt %, C :6. 37 8. 84wt %, ZrO2 :0. 97 31. 41wt%。
結果為一種(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料，原料組成成分為Ti粉佔總重量的39. 38 70. 08%,Al粉佔總重量的20. 11 22. 85%，C粉佔總重量的6. 37 — 8. 84% 和ZrO2粉佔總重量的0. 97 31. 41 %。一種(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料的製備工藝，其步驟為步驟一、首先將純度大於等於99%，細度小於等於200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉以及金屬氧化物&02按以下配比稱量，Ti粉佔總重量的39. 38 70. 08%，Al粉佔總重量的 20. 11 22. 85%，C粉佔總重量的6. 37 8. 84%和ZrO2粉佔總重量的0. 97 31. 41% ；步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機上進行混合球磨，以無水乙醇為球磨介質，球磨機的轉速為600 900轉每分鐘，料球乙醇的質量比 =1:3: 1，球磨0. 5 1. 5小時；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在40 50°C下乾燥4 8小時；步驟四、將步驟三所得的乾燥後的粉體裝入石墨模具中，在真空或氬氣條件下，在 1100°C 1400°C，5. 0 30MPa的壓力熱壓燒結1 2小時；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料。本發明所合成的(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料，其特徵是它由基體相和增強相兩部分組成，基體相佔複合材料總重量的81. 5-99.5%，增強相佔總重量的 0. 5-18. 5%，基體相為(TihJrx)2AlC,其中χ取0. 005 0. 2241，增強相為Al2O30如果生成的複合材料中Al2O3生成量小於產物質量的0. 5%則起不到增強、增韌Ti2AlC基體的作用，反之，如果產物中Al2O3相量超過Ti2AlC基體相的含量，不能稱之為Ti2AlC基複合材料， 同時，Al2O3生成量將超過18. 5%，過量的Al2O3不但起不到改善Ti2AlC的作用，反而會惡化其性能。因此確定了以上組分範圍。本發明利用Ti粉、Al粉、C粉以及^O2粉體為原料，通過鋁熱反應在基體相生成的過程中自生顆粒增強相Al2O3 ；同時還原出的金屬單質ττ對Ti2AlC進行固溶強化。從而製備了 Al2O3彌散強韌化的細晶Ti2AlC固溶體複合材料。該由於該工藝所合成的材料成分可調性大，燒成溫度低，結構均勻緻密，成本較低，力學性能優異，拓寬了該複合材料的應用範圍。
附圖為實例一所得試樣的物相分析結果；橫坐標為衍射角，縱坐標為衍射峰強度， 其中基體相為(Tia 9576Zratl424) 2AlC ；增強相為Α1203。由圖可以看出，該材料純度很高，除了 (Ti0.9576Zr0.0424) 2A1C和Al2O3外，幾乎沒有其它雜質相。
具體實施例方式實施例一一種(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料，其原料重量組成成分為270目的Ti粉佔總重量的63. 86%,200目的Al粉佔總重量的20. 38%、1200目的C粉佔總重量的8. 15% 和ZrO2粉佔總重量的7. 61%。本實施例的製備工藝步驟如下
步驟一、首先將純度大於等於99%，細度小於等於200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉以及金屬氧化物&02按以下配比稱量，270目的Ti粉佔總重量的63. 86%、200目的Al粉佔總重量的20. 38%、1200目的C粉佔總重量的8. 15%、ZrO2粉佔總重量的7. 61 % ；步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機上進行混合球磨，以無水乙醇為球磨介質，球磨機的轉速為800轉每分鐘，料球乙醇的質量比= 1:3: 1，球磨1小時；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在44°C下乾燥6小時；步驟四、將步驟三所得的乾燥後的粉體裝入石墨模具中，在真空或氬氣條件下，在 1350°C,16MPa的壓力熱壓燒結2小時；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料。本實施例所合成的(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料，其特徵是它由基體相和增強相兩部分組成，基體相佔複合材料總重量的96%，增強相佔總重量的4%，基體相為 (Tio.9576' &Q._)2A1C，增強相為 A1203。參照附圖，表明該材料基體相由(Ti，ZiO2AlC相，含有少量雜質的TiC相，增強相為Al2O3相。實施例二一種(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料，其原料重量組成成分為270目的Ti粉佔總重量的66. 08 %、200目的Al粉佔總重量的21. 64 %、1200目的C粉佔總重量的8. 46 % 和ZrO2粉佔總重量的3. 82%。本實施例的製備工藝步驟如下步驟一、首先將純度大於等於99%，細度小於等於200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉以及金屬氧化物&02按以下配比稱量，270目的Ti粉佔總重量的66. 08%、200目的Al粉佔總重量的21. 64%、1200目的C粉佔總重量的8.46%、Zr02粉佔總重量的3.82% ；步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機上進行混合球磨，以無水乙醇為球磨介質，球磨機的轉速為800轉每分鐘，料球乙醇的質量比= 1:3: 1，球磨1小時；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在47°C下乾燥6小時；步驟四、將步驟三所得的乾燥後的粉體裝入石墨模具中，在真空或氬氣條件下，在 1350°C,16MPa的壓力熱壓燒結2小時；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料。本實施例所合成的(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料，其特徵是它由基體相和增強相兩部分組成，基體相佔複合材料總重量的98%，增強相佔總重量的2%，基體相為 (Ti0.9795' C12J2AlC,增強相為 Al2O315實施例三一種(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料，其原料重量組成成分為270目的Ti粉佔總重量的討.56 %、200目的Al粉佔總重量的21. 04 %、1200目的C粉佔總重量的7. 53 % 和ZrO2粉佔總重量的16. 87%。
本實施例的製備工藝步驟如下步驟一、首先將純度大於等於99%，細度小於等於200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉以及金屬氧化物&02按以下配比稱量，270目的Ti粉佔總重量的54. 56%,200目的Al粉佔 21. 04%、1200 目的 C 粉佔 7. 53%、ZrO2 粉佔 16.87 ；步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機上進行混合球磨，以無水乙醇為球磨介質，球磨機的轉速為800轉每分鐘，料球乙醇的質量比= 1:3: 1，球磨1小時；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在44°C下乾燥6小時；步驟四、將步驟三所得的乾燥後的粉體裝入石墨模具中，在真空或氬氣條件下，在 1350°C,16MPa的壓力熱壓燒結2小時；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料。本實施例所合成的(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料，其特徵是它由基體相和增強相兩部分組成，基體相佔複合材料總重量的92%，增強相佔總重量的8%，基體相為 (Ti0.9087' &。.。913)2A1C，增強相為 Al2O31權利要求
1.一種(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料，其特徵在於，原料組成成分為Ti粉佔總重量的39. 38 70. 08%, Al粉佔總重量的20. 11 22.85%，C粉佔總重量的6. 37 8. 84%和ZrO2粉佔總重量的0. 97 31. 41%。
2.根據權利要求1所述的一種(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料，其特徵在於，原料組成成分為270目的Ti粉佔總重量的63.86%、200目的Al粉佔總重量的20. 38%,1200 目的C粉佔總重量的8. 15%和^O2粉佔總重量的7. 61%。
3.根據權利要求1所述的一種(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料，其特徵在於，原料組成成分為270目的Ti粉佔總重量的66.08%、200目的Al粉佔總重量的21. 64%、1200 目的C粉佔總重量的8. 46%和^O2粉佔總重量的3. 82%。
4.一種(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料的製備工藝，其特徵在於，其步驟為 步驟一、首先將純度大於等於99%，細度小於等於200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉以及金屬氧化物^O2按以下配比稱量，Ti粉佔總重量的39. 38 70. 08%, Al粉佔總重量的 20. 11 22. 85%，C粉佔總重量的6. 37 8. 84%和ZrO2粉佔總重量的0. 97 31. 41% ； 步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機上進行混合球磨， 以無水乙醇為球磨介質，球磨機的轉速為600 900轉每分鐘，料球乙醇的質量比= 1:3: 1，球磨0. 5 1. 5小時；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在40 50°C下乾燥4 8小時； 步驟四、將步驟三所得的乾燥後的粉體裝入石墨模具中，在真空或氬氣條件下，在 1100°C 1400°C，5. 0 30MPa的壓力熱壓燒結1 2小時；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，&)2AlC/Al203固溶體複合材料。
5.根據權利要求4所述的一種(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料的製備工藝，其特徵在於，其步驟為步驟一、首先將純度大於等於99%，細度小於等於200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉以及金屬氧化物按以下配比稱量，270目的Ti粉佔總重量的63.86%、200目的Al粉佔總重量的20. 38%、1200目的C粉佔總重量的8. 15%、粉佔總重量的7. 61 % ；步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機上進行混合球磨，以無水乙醇為球磨介質，球磨機的轉速為800轉每分鐘，料球乙醇的質量比=1 3 1， 球磨1小時；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在44°C下乾燥6小時；步驟四、將步驟三所得的乾燥後的粉體裝入石墨模具中，在真空或氬氣條件下，在 1350°C,16MPa的壓力熱壓燒結2小時；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，&)2AlC/Al203固溶體複合材料。
6.根據權利要求4所述的一種(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料的製備工藝，其特徵在於，其步驟為步驟一、首先將純度大於等於99%，細度小於等於200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉以及金屬氧化物按以下配比稱量，270目的Ti粉佔總重量的66.08%、200目的Al粉佔總重量的21.64%、1200目的C粉佔總重量的8. 46% JrO2粉佔總重量的3. 82% ；步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機上進行混合球磨，以無水乙醇為球磨介質，球磨機的轉速為800轉每分鐘，料球乙醇的質量比=1 3 1， 球磨1小時；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在47°C下乾燥6小時；步驟四、將步驟三所得的乾燥後的粉體裝入石墨模具中，在真空或氬氣條件下，在 1350°C,16MPa的壓力熱壓燒結2小時；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，&)2AlC/Al203固溶體複合材料。
7.—種(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶體複合材料，其特徵在於，它由基體相和增強相兩部分組成，基體相佔複合材料總重量的81. 5-99. 5 %，增強相佔總重量的0. 5-18. 5%，基體相為 (Tih，Zrx)2AlC，其中 χ 取 0. 005 0. 2241，增強相為 Al2O30
8.根據權利要求7所述的一種(Ti，&)2AlC/Al203固溶體複合材料，其特徵在於，它由基體相和增強相兩部分組成，基體相佔複合材料總重量的96%，增強相佔總重量的4%，基體相為(Ti0.9576, Zr0. 0424)2AIC，增強相為AI2O3。
9.根據權利要求7所述的一種(Ti，&)2AlC/Al203固溶體複合材料，其特徵在於，它由基體相和增強相兩部分組成，基體相佔複合材料總重量的98%，增強相佔總重量的2%，基體相為(TiQ.9795，&Q.Q2Q5)2A1C，增強相為 ai2o3。
全文摘要
一種(Ti，Zr)2AlC/Al2O3固溶體複合材料及其製備方法，按Ti粉佔總重量的39.38～70.08％，Al粉佔總重量的20.11～22.85％，C粉佔總重量的6.37～8.84％和ZrO2粉佔總重量的0.97～31.41％的比例經熱壓燒結工藝，通過鋁熱反應在基體相生成的過程中自生顆粒增強相，製備了Al2O3彌散相強化基體相Ti2AlC的細晶複合材料，並利用反應生成的Zr對基體相進行固溶強化；由於該材料成分可調性大，燒成溫度低，結構均勻緻密，成本較低，力學性能優異，拓寬了該複合材料的應用範圍；另外，該方法降低了燒成溫度及熱壓壓力，在快速燒成中實現了晶粒微晶化。
文檔編號C22C1/05GK102174680SQ201010623899
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者葉蘭, 朱建鋒, 楊文文, 楊海波, 王芬, 王莉麗, 韓娜 申請人:陝西科技大學