一種銅增強三矽化五鈦基複合材料及其製備方法
2023-05-18 06:23:26
專利名稱：一種銅增強三矽化五鈦基複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及的是一種複合材料，本發明也涉及一種複合材料的製備方法。具體地說是一種三矽化五鈦(Ti5Si3)基複合材料及其製備方法。
背景技術：
Ti5Si3金屬間化合物具有低密度(4. 32g · cm-3)，高熔點(2130 °C )，高楊氏模量 Q25GPa)，以及良好的高溫抗氧化性，使用溫度可高達1700°C。鑑於Ti5Si3具有如此優異的性能，引起了國內外研究人員的廣泛關注。目前，Ni基高溫合金的使用溫度已經達到極限， 而研究比較成熟的金屬鋁基化合物(Ni2Al、Ti2Al、Fe2Al, Nb2Al等系)的使用溫度和Ni基合金無明顯優勢。因此，有必要開發和研製可在更高溫度(> 1600°C )下使用的新型高性能結構材料。高熔點的金屬矽化物以Ti5Si3為代表，具有良好的綜合性能，它很有希望成為代替現今使用的高溫合金，成為新一代高溫結構材料。然而，Ti5Si3的致命缺點室溫脆性大、高溫強度低和抗蠕變性能差，直接限制了它的應用。目前對打^「金屬間化合物強韌化的方法主要有細晶強化、合金化與複合化方法。 細化Ti5Si3晶粒可以提高Ti5Si3的低溫力學性能，但比較難於控制且性能提高有限。合金化是在Ti5Si3中添加耐熱金屬元素形成固溶體來改善其性能。添加陶瓷顆粒、纖維或晶須等增強相製備打^「基複合材料，是目前最普遍的改善力學性能的途徑。晶須強韌化Ti5Si3 金屬間化合物效果顯著，而且工藝簡單，但晶須昂貴的價格限制了其在實際領域中的應用。 無論是細晶強化、合金化或複合化，他們的研究工作主要是停留在實驗階段，沒有工程化的先例。專利申請號為201010100995. 0的專利文件中，公開了一種Ti5Si3/TiAl複合材料的製備方法。純鈦顆粒堆積到鋼模具中得多孔鈦預製體，Al-Si合金鑄錠線切割成塊體，置於多孔鈦預製體上，真空熱壓燒結，冷卻至室溫後退模，即得Ti5Si3/TiAl複合材料。解決了採用現有技術製備的TiAl複合材料存在均勻性不好、緻密度較低以及成本高的問題。專利申請號為201019100012. 0的專利文件中，公開了一種原位TW2-Ti5Si3複合材料及其製備方法。複合材料中原位TW2的質量百分比為1 ( TW2 ( 20，其餘為Ti5Si3金屬間化合物。製備步驟包括1)將B粉、Si粉和Ti粉作為反應物，按照一定比例混合均勻並壓製成坯料；幻將反應物壓坯在氬氣氛圍中進行加熱預熱；隨後繼續加熱，直至其發生燃燒合成反應，或採用反應物壓坯底端用鎢極產生的電弧熱進行點燃，引發燃燒合成反應； 3)反應結束後，進行加壓，使之緻密化，形成原位TB2-Ti5Si3複合材料。
發明內容
本發明的目的在於提供一種具有力學性能優異、顯微結構均勻且緻密度高的銅增強三矽化五鈦基複合材料。本發明的目的還在於提供一種銅增強三矽化五鈦基複合材料的製備方法。本發明的目的是這樣實現的
本發明的銅增強三矽化五鈦基複合材料是由質量百分比為Cul-6%和 Ti5Si394-99% 製成的。本發明的銅增強三矽化五鈦基複合材料的製備方法為利用機械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時製備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉速為450轉/min;按照質量百分比為生成的 Ti5Si394-99%、Cu粉1-6%的比例將各原料混合；將混合好的原料放入球磨罐中球磨3小時得到球磨過的漿料，球料比為20 1，轉速為300轉/min ；將球磨過的漿料進行真空乾燥、 研磨，過130目篩得到粉體；將粉體放入石墨模具中，放入真空度小於等於l.OXlO—2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結體。本發明的產品是先利用機械合金化的方法先製備晶粒細小的、高純Ti5Si3,再將高純Ti5Si3與Cu粉按照一定比例充分混合後的乾燥粉體置於真空熱壓爐中，在高真空、高壓並加熱到1300°C燒結，得到Cu增強Ti5Si3基複合材料。複合材料具有優異的常溫與高溫力學性能，並且具備良好導電導熱性，是一種新型高性能高溫結構材料。採用本發明的方法製備的Cu摻雜Ti5Si3基複合材料，得到的Ti5Si3基複合材料緻密度高、氣孔率小、純度高、機械性能優異。
圖1是本發明涉及的熱壓燒結的工藝圖。圖2-a是純Ti5Si3的燒結後試樣的斷口2_b是Cu摻雜Ti5Si3的燒結後試樣的斷口3-a、3_b為Ti5Si3和Cu摻雜Ti5Si3的燒結性能圖。
具體實施例方式下面舉例對本發明作更詳細的描述1、利用機械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時製備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉速為450轉/min;按照質量百分比將生成的 Ti5Si399%與Cu粉1 %的比例將原料混合；將混合好的溶液放入球磨罐中球磨3小時，球料比為20 1，轉速為300轉/min;將球磨過的漿料進行真空乾燥、研磨，過130目篩；將準備好的粉體放入石墨模具中，放入真空度小於等於1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結體。2、利用機械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時製備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉速為450轉/min;按照質量百分比將生成的 Ti5Si3QS%與Cu粉2%的比例將原料混合；將混合好的溶液放入球磨罐中球磨3小時，球料比為20 1，轉速為300轉/min;將球磨過的漿料進行真空乾燥、研磨，過130目篩；將準備好的粉體放入石墨模具中，放入真空度小於等於1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結體。3、利用機械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氛中球磨25小時製備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉速為450轉/min;按照質量百分比將生成的 Ti5Si397%與Cu粉3%的比例將原料混合；將混合好的溶液放入球磨罐中球磨3小時，球料比為20 1，轉速為300轉/min;將球磨過的漿料進行真空乾燥、研磨，過130目篩；將準備好的粉體放入石墨模具中，放入真空度小於等於1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結體。4、利用機械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時製備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉速為450轉/min;按照質量百分比將生成的 Ti5Si396%與Cu粉4%的比例將原料混合；將混合好的溶液放入球磨罐中球磨3小時，球料比為20 1，轉速為300轉/min;將球磨過的漿料進行真空乾燥、研磨，過130目篩；將準備好的粉體放入石墨模具中，放入真空度小於等於1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結體。5、利用機械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時製備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉速為450轉/min;按照質量百分比將生成的 Ti5Si395%與Cu粉5%的比例將原料混合；將混合好的溶液放入球磨罐中球磨3小時，球料比為20 1，轉速為300轉/min;將球磨過的漿料進行真空乾燥、研磨，過130目篩；將準備好的粉體放入石墨模具中，放入真空度小於等於1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結體。6、利用機械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時製備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉速為450轉/min;按照質量百分比將生成的 Ti5Si394%與Cu粉6%的比例將原料混合；將混合好的溶液放入球磨罐中球磨3小時，球料比為20 1，轉速為300轉/min;將球磨過的漿料進行真空乾燥、研磨，過130目篩；將準備好的粉體放入石墨模具中，放入真空度小於等於1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結體。通過在上述具體實施方式
，應用熱壓燒結技術結合超聲波和球磨工藝，獲得了緻密度高於92 %，斷裂韌性提高了 52 %，抗彎強度提高了 112 %的Cu摻雜Ti5Si3基複合材料。比較例將Ti粉、Si粉放入在裝有無水乙醇球磨罐中進行球磨3小時，其中球料比為20 1，轉速為300轉/min;球磨後的漿料經過冷凍乾燥、研磨、過篩後放入石墨模具中，在1300°C燒結60min得到Ti5Si3燒結體。值得指出的是Cu的加入，在Ti5Si3晶粒界面出現塑韌相，增強了 Ti5Si3的塑韌性。在燒結過程中，部分Ti5Si3的Ti原子被Cu原子取代了，改變了 Ti5Si3的晶體結構，起到合金強化化的作用。Cu的加入，通過界面強化和合金強化，明顯的改善了 Ti5Si3的室溫力學性能。
權利要求
1.一種銅增強三矽化五鈦基複合材料，其特徵是由質量百分比為Cul-6%和 Ti5Si394-99% 製成的。
2.一種銅增強三矽化五鈦基複合材料的製備方法，其特徵是利用機械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時製備純Ti5Si3粉體；按照質量百分比為生成的Ti5Si394-99%、Cu粉1-6%的比例將各原料混合；將混合好的原料放入球磨罐中球磨3小時得到球磨過的漿料；將球磨過的漿料進行真空乾燥、研磨，過130目篩得到粉體； 將粉體放入石墨模具中，放入真空度小於等於1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度 1300°C下燒結60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結體。
全文摘要
本發明提供的是一種銅增強三矽化五鈦基複合材料及其製備方法。利用機械合金化將摩爾比為5∶3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時製備純Ti5Si3粉體；按照質量百分比為生成的Ti5Si394-99％、Cu粉1-6％的比例將各原料混合；將混合好的原料放入球磨罐中球磨3小時得到球磨過的漿料；將球磨過的漿料進行真空乾燥、研磨，過130目篩得到粉體；將粉體放入石墨模具中，放入真空度小於等於1.0×10-2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300℃下燒結60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結體。發明的方法得到的Ti5Si3基複合材料緻密度高、氣孔率小、純度高、機械性能優異。
文檔編號C22C29/18GK102212732SQ20111013033
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月19日 優先權日2011年5月19日
發明者劉明, 方雙全, 武明, 黃瑩 申請人:哈爾濱工程大學