一种原位生长TiAl3晶须的Ti3AlC2颗粒增强铝基复合材料制备方法

一种原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种铝基复合材料制备方法。


背景技术：

2.max相是一类三元纳米层状化合物，微观层状结构赋予其高损伤容限、导电性、优异的机械加工性，以及高模量和高硬度，近些年来收获了广泛研究。为了实现max相增强铝基复合材料的高强度和高韧性，需要max相和铝基体具有良好的界面结合。然而研究表明，max相与al的反应难以控制。传统固相法虽然可以抑制max相和al的反应，但低温不利于界面结合，这会导致复合材料的性能下降。液相法制备虽然有益于界面反应结合，但熔融al液会与max相反应生成大量脆性相，造成复合材料塑性的严重下降。因此，为了获得具有高强度和高塑性的max相增强铝基复合材料，一方面需要促进max 相与al的界面结合，另一方面需抑制脆性相的大量生成。
3.作为一种典型的max相陶瓷，ti3alc2具有优异的耐摩擦磨损性能和抗高温氧化性能，可以作为铝基体的一种理想增强体。目前采用ti3alc2增强铝基复合材料的文献报道还比较少。wang等人采用热等静压技术，制备了体积分数40％的ti3alc2增强纯铝复合材料。当烧结温度超过700℃后，复合材料体系会反应生成大量tial3、al4c3以及tic，复合材料的致密度仅为96～98％。wang等人采用热压烧结技术，在780℃制备了体积分数20％-30％的ti3alc
2-tial3增强纯铝复合材料。tial3的原位生成使复合材料的室温抗压强度高达404mpa，但压缩应变仅为12％。在目前文献报导中，为了提高ti3alc2与铝基体的界面结合，通常选择高于铝熔点的制备温度以原位生成tial3相。但高温又造成了 tial3的大量生成，从而导致复合材料的塑性急剧下降。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有制备工艺难以同时保证ti3alc2增强铝基复合材料强度和塑性的问题，提供了一种原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料制备方法。
5.本发明原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料制备方法按以下步骤进行：
6.一、称料
7.按体积分数称取10％～40％ti3alc2粉体和90％～60％铝金属粉体；
8.二、ti3alc2粉体和铝金属粉体的分级球磨
9.将步骤一称取的ti3alc2粉体和铝金属粉体装入球磨罐中进行球磨；首先采用低转速球磨，球料比为(1～2):1，转速为150rpm～200rpm，球磨时间为1.5h～3h，使两种粉体充分混合；然后采用高转速球磨，球料比为(3～5):1，转速为250rpm～400rpm，球磨时间为1.5h～3h，使ti3alc2大颗粒或团簇在球磨作用下充分打开；通过分级球磨使ti3alc2粉体与
铝金属粉体实现均匀混合和充分接触，得到ti3alc2和铝金属的复合粉体；
10.三、制备预制体
11.将步骤二得到的ti3alc2和铝金属的复合粉体装入模具中进行冷压，冷压过程中，加压速度为0.1mm/min～3mm/min，加压至4mpa～20mpa并保压5min～10min，得到ti3alc2和铝金属的复合预制体；
12.四、放电等离子烧结
13.将步骤三得到的ti3alc2和铝金属的复合预制体连同模具移至放电等离子烧结炉的烧结室中，用上下卡具将模具装配好，在保护气氛或真空条件下的sps烧结设备中：
14.首先，在压力为20mpa～300mpa下将预制体预热到300℃～400℃，随后压力为 20mpa～300mpa下并在1min～10min内将样品加热至450℃～640℃；
15.然后，在温度为450℃～640℃和压力为20mpa～300mpa的条件下保持5min～20min；使预制体充分致密化；
16.最后，以20℃/min～40℃/min的速度进行冷却，冷却后脱模，得到烧结态块体，即原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料。
17.本发明具备以下有益效果：
18.1、本发明以ti3alc2颗粒和铝金属为原料，首先通过球磨制备出ti3alc2和铝金属的混合粉体，然后通过放电等离子烧结的方法使ti3alc2颗粒与铝复合，最终制成ti3alc2颗粒增强铝基复合材料；采用放电等离子烧结的方法反应时间短，仅为5min～20min，且不需要将al基体加热到液相，因此tial3相的含量可控；并且复合材料的制备效率高，可靠性好，综合力学性能优异。
19.2、本发明提供了一种原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料制备方法，通过控制放电等离子烧结的升温速率、温度和保温时间，不但可以实现ti3alc2增强铝基复合材料在短时间内的充分致密化，更能有效控制界面反应程度，高温使ti3alc2和al 基体的元素发生互扩散。ti3alc2晶体中的ti元素脱位，扩散至al基体中。因基体的al 浓度很高，故与al反应生成tial3。随着ti元素的扩散，tial3逐渐向al基体中生长，在界面处有效生成不同尺寸和含量的tial3晶须，制备出的复合材料具有界面结合好、力学性能尤其是塑性良好、机械加工容易等性能特点。
20.3、本发明制备的原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料中ti3alc2颗粒的含量为10％～40％，tial3的晶须直径为40nm～1000nm；复合材料密度为 2.84g/cm3～3.32g/cm3，致密度大于98％，弹性模量在80gpa～150gpa，弯曲强度在 400mpa～800mpa，屈服强度在60mpa～300mpa，拉伸强度在120mpa～400mpa，延伸率在 1％～20％。
21.4、本发明提供了一种快速高效制备出ti3alc2增强铝基复合材料的方式，制备方法简单、安全易操作、工艺容易控制，复合材料的密度低、致密度高、ti3alc2颗粒分布均匀，有利于实现产业化生产及应用。
附图说明
22.图1为实施例一得到的原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料的微观组织照片；
23.图2为实施例一得到的原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料的界
面 tial3晶须的透射照片。
具体实施方式
24.本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
25.具体实施方式一：本实施方式原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料制备方法按以下步骤进行：
26.一、称料
27.按体积分数称取10％～40％ti3alc2粉体和90％～60％铝金属粉体；
28.二、ti3alc2粉体和铝金属粉体的分级球磨
29.将步骤一称取的ti3alc2粉体和铝金属粉体装入球磨罐中进行球磨；首先采用低转速球磨，球料比为(1～2):1，转速为150rpm～200rpm，球磨时间为1.5h～3h，使两种粉体充分混合；然后采用高转速球磨，球料比为(3～5):1，转速为250rpm～400rpm，球磨时间为1.5h～3h，使ti3alc2大颗粒或团簇在球磨作用下充分打开；通过分级球磨使ti3alc2粉体与铝金属粉体实现均匀混合和充分接触，得到ti3alc2和铝金属的复合粉体；
30.三、制备预制体
31.将步骤二得到的ti3alc2和铝金属的复合粉体装入模具中进行冷压，冷压过程中，加压速度为0.1mm/min～3mm/min，加压至4mpa～20mpa并保压5min～10min，得到ti3alc2和铝金属的复合预制体；
32.四、放电等离子烧结
33.将步骤三得到的ti3alc2和铝金属的复合预制体连同模具移至放电等离子烧结炉的烧结室中，用上下卡具将模具装配好，在保护气氛或真空条件下的sps烧结设备中：
34.首先，在压力为20mpa～300mpa下将预制体预热到300℃～400℃，随后压力为 20mpa～300mpa下并在1min～10min内将样品加热至450℃～640℃；
35.然后，在温度为450℃～640℃和压力为20mpa～300mpa的条件下保持5min～20min；使预制体充分致密化；
36.最后，以20℃/min～40℃/min的速度进行冷却，冷却后脱模，得到烧结态块体，即原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料。
37.本实施方式具备以下有益效果：
38.1、本实施方式以ti3alc2颗粒和铝金属为原料，首先通过球磨制备出ti3alc2和铝金属的混合粉体，然后通过放电等离子烧结的方法使ti3alc2颗粒与铝复合，最终制成 ti3alc2颗粒增强铝基复合材料；采用放电等离子烧结的方法反应时间短，仅为 5min～20min，且不需要将al基体加热到液相，因此tial3相的含量可控；并且复合材料的制备效率高，可靠性好，综合力学性能优异。
39.2、本实施方式提供了一种原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料制备方法，通过控制放电等离子烧结的升温速率、温度和保温时间，不但可以实现ti3alc2增强铝基复合材料在短时间内的充分致密化，更能有效控制界面反应程度，高温使ti3alc2和al基体的元素发生互扩散。ti3alc2晶体中的ti元素脱位，扩散至al基体中。因基体的al浓度很高，故与al反应生成tial3。随着ti元素的扩散，tial3逐渐向al基体中生长，在界面处有效生
成不同尺寸和含量的tial3晶须，制备出的复合材料具有界面结合好、力学性能尤其是塑性良好、机械加工容易等性能特点。
40.3、本实施方式制备的原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料中ti3alc2颗粒的含量为10％～40％，tial3的晶须直径为40nm～1000nm；复合材料密度为 2.84g/cm3～3.32g/cm3，致密度大于98％，弹性模量在80gpa～150gpa，弯曲强度在 400mpa～800mpa，屈服强度在60mpa～300mpa，拉伸强度在120mpa～400mpa，延伸率在 1％～20％。
41.4、本实施方式提供了一种快速高效制备出ti3alc2增强铝基复合材料的方式，制备方法简单、安全易操作、工艺容易控制，复合材料的密度低、致密度高、ti3alc2颗粒分布均匀，有利于实现产业化生产及应用。
42.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述ti3alc2的纯度大于95％；所述ti3alc2粉体的平均粒径为0.2μm～40μm。
43.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述铝金属粉体的平均直径为1μm～30μm。
44.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述铝金属粉体为纯铝或铝合金粉体。
45.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述铝合金粉体为al-si 合金、al-cu合金、al-mg合金、al-si-cu合金、al-si-mg合金、al-cu-mg合金、al-zn-cu 合金、al-zn-mg-cu合金、al-be合金、al-li合金、al-si-cu-mg合金中的一种或其中几种的组合；所述al-si合金粉体中si的质量分数为0.5％～25％；所述al-cu合金粉体中 cu的质量分数为0.5％～53％；所述al-mg合金粉体中mg的质量分数为0.5％～38％； al-si-cu合金粉体中si的质量分数为0.5％～25％，cu的质量分数为0.5％～53％；al-si-mg 合金粉体中si的质量分数为0.5％～25％，mg的质量分数为0.5％～38％；al-cu-mg合金粉体中cu的质量分数为0.5％～53％，mg的质量分数为0.5％～38％；al-zn-cu合金粉体中 zn的质量分数为0.5％～55％，cu的质量分数为0.5％～53％；al-zn-mg-cu合金粉体中zn 的质量分数为0.5％～55％，mg的质量分数为0.5％～38％，cu的质量分数为0.5％～53％； al-be合金粉体中be的质量分数为0.5％～20％；al-li合金粉体中li的质量分数为 0.5％～35％；al-si-cu-mg合金si的质量分数为0.5％～25％，cu的质量分数为0.5％～53％， mg的质量分数为0.5％～38％。
46.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述的球磨过程使用的磨罐和磨球的材质为氧化铝、氧化锆或碳化钨。
47.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中所述的模具内壁的直径为40mm～120mm。
48.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中模具为石墨模具或钢模具。
49.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中所述的保护气氛为氮气、氩气、氦气等中的一种。
50.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中所述保护气氛的压力为0.1mpa～10mpa。
51.实施例一：本实例一种原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料制备
方法是按以下步骤完成的：
52.一、称料
53.按体积分数称取20％ti3alc2粉体和80％铝金属粉体；所述ti3alc2粉体的纯度为95％； ti3alc2粉体的粒径范围为1μm～36μm，平均粒径为9.6μm；所述铝金属粉体为纯al；所述铝金属粉体的粒径范围为3μm～10.6μm，平均粒径为4.5μm；
54.二、ti3alc2粉体和铝金属粉体的均匀化
55.将步骤一称取的ti3alc2粉体和铝金属粉体装入球磨罐中进行球磨；首先采用低转速球磨，球料比为1:1，转速为150rpm，球磨时间为1.5h，使两种粉体充分混合；然后采用高转速球磨，球料比为3:1，转速为300rpm，球磨时间为1.5h，使ti3alc2大颗粒或团簇在球磨作用下充分打开；通过分级球磨使ti3alc2粉体与铝金属粉体实现均匀混合和充分接触，得到ti3alc2和铝金属的复合粉体；球磨过程使用的磨罐和磨球的材质为氧化铝；
56.三、制备预制体
57.将步骤二得到的ti3alc2和铝金属的复合粉体装入石墨模具中进行冷压，石墨模具内壁的直径为100mm；冷压过程中，加压速度为0.5mm/min，加压至5mpa并保压5min，得到ti3alc2和铝金属的复合预制体；
58.四、放电等离子烧结
59.将步骤三得到的ti3alc2和铝金属的复合预制体连同模具移至放电等离子烧结炉的烧结室中，用上下卡具将模具装配好，在真空条件下的sps烧结设备中：
60.首先，在压力为40mpa下将预制体预热到400℃，随后压力为40mpa下并在1.5min 内将样品加热至620℃；
61.然后，在温度为620℃和压力为40mpa的条件下保持10min，使预制体充分致密化；
62.最后，以20℃/min的速度进行冷却，冷却后脱模，得到烧结态块体，即原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料；
63.图1为实施例一得到的原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料的微观组织照片；从图1中可以看出复合材料致密性好，只有很少量的孔洞；此外ti3alc2颗粒在复合材料中的分布较均匀，没有明显的团聚现象；图2为实施例一得到的原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料的界面处tial3晶须的透射照片；从图2中可以看出tial3的晶须直径为78nm；tial3晶须与基体和增强相的结合较好；实施例一得到的原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料的密度为3.02g/cm3，致密度为100％，弹性模量为92gpa，屈服强度为104mpa，拉伸强度为180mpa，延伸率为17.5％。
64.实施例二：
65.本实例一种原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料制备方法是按以下步骤完成的：
66.一、称料
67.按体积分数称取20％ti3alc2粉体和80％铝金属粉体；所述ti3alc2粉体的纯度为95％； ti3alc2粉体的粒径范围为10μm～36μm，平均粒径为14.5μm；所述铝金属粉体为al-cu-mg 合金；所述al-cu-mg合金中cu的质量分数为4.2％，mg的质量分数为1.6％；所述铝金属粉体的粒径范围为10μm～25μm，平均粒径为16.8μm；
68.二、ti3alc2粉体和铝金属粉体的均匀化
69.将步骤一称取的ti3alc2粉体和铝金属粉体装入球磨罐中进行球磨；首先采用低转速，球料比为1:1，转速为150rpm，球磨时间为1.5h，使两种粉体充分混合；然后采用高转速，球料比为5:1，转速为250rpm，球磨时间为3.5h，使ti3alc2大颗粒或团簇在球磨作用下充分打开；通过分级球磨使ti3alc2粉体与铝金属粉体实现均匀混合和充分接触，得到 ti3alc2和铝金属的复合粉体；球磨过程使用的磨罐和磨球的材质为氧化铝；
70.三、制备预制体
71.将步骤二得到的ti3alc2和铝金属的复合粉体装入石墨模具中进行冷压，石墨模具内壁的直径为60mm；冷压过程中，加压速度为0.5mm/min，加压至5mpa并保压5min，得到ti3alc2和铝金属的复合预制体；
72.四、放电等离子烧结
73.将步骤三得到的ti3alc2和铝金属的复合预制体连同模具移至放电等离子烧结炉的烧结室中，用上下卡具将模具装配好，在真空条件下的sps烧结设备中：
74.首先，在压力为40mpa下将预制体预热到400℃，随后压力为40mpa下并在2min 内将样品加热至500℃；
75.然后，在温度为500℃和压力为40mpa的条件下保持10min，使预制体充分致密化；
76.最后，以20℃/min的速度进行冷却，冷却后脱模，得到烧结态块体，即原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料。
77.实施例二得到的原位生长tial3晶须的ti3alc2颗粒增强铝基复合材料的密度为 3.05g/cm3，致密度为100％，弹性模量为108gpa，屈服强度为216mpa，拉伸强度为382mpa，延伸率为8.2％。