一种(Ti,Zr)₂AlC/Al₂O₃固溶体复合材料及其制备方法

专利名称：一种(Ti,Zr)₂AlC/Al₂O₃固溶体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，Zr)2AlC/Al203.固溶体复合材料及其制备方法。
背景技术：
新型层状陶瓷材料Ti2AlC以其优异性能吸引了国内外众多学者的探索与研究。它既具有金属的性能，如在常温下具有很好的导电导热性、较低的维氏硬度、较高的弹性模量和剪切模量、室温下可进行传统的机械加工，在较高温度下具有塑性；该材料又具有陶瓷的性能，如高熔点、高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。近年来，为改善Ti2AlC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(Scripta Materialia 53 (2005) 1369-1372)利用单质V元素进行固溶改性研究，使其力学性能得到了很大的提高，同样方法可以利用ττ元素进行固熔改性研究，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(Scripta Materialia 50(2004)897-901)报道利用 Al2O3颗粒能对与Ti2AlC具有相似结构的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Ti2AlC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Ti2AlC/Al203复合材料，但不管那种工艺，都存在反应温度高，而强度不足，无法大规模产业化生产。专利00091021^90. 8)报道了利用高能球磨合成Ti2AlC/Al203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Ti2AlC复合材料是今后的研究重点。

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，&)2AlC/Al203固溶体复合材料及其制备方法，利用Ti-Al-C-^O2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Ti2AlC固溶体复合材料；该方法利用廉价氧化物^O2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、可加工的性能特点。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，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料，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^O2按以下反应式进行配比2 (1-x) Ti+(l+8x/3) Al+C+2xZr02 — (Ti1^xZrx) 2A1C+4x/3A1203 (1) (χ = 0. 005 0. 2241)，结果为 Ti :39. 38 70. 08wt %, Al :20. 11 22. 85wt %, C :6. 37 8. 84wt %, ZrO2 :0. 97 31. 41wt%。
结果为一种(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料，原料组成成分为Ti粉占总重量的39. 38 70. 08%,Al粉占总重量的20. 11 22. 85%，C粉占总重量的6. 37 — 8. 84% 和ZrO2粉占总重量的0. 97 31. 41 %。一种(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料的制备工艺，其步骤为步骤一、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、C粉以及金属氧化物&02按以下配比称量，Ti粉占总重量的39. 38 70. 08%，Al粉占总重量的 20. 11 22. 85%，C粉占总重量的6. 37 8. 84%和ZrO2粉占总重量的0. 97 31. 41% ；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，在 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，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料。本发明所合成的(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料，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(TihJrx)2AlC,其中χ取0. 005 0. 2241，增强相为Al2O30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Ti2AlC基体的作用，反之，如果产物中Al2O3相量超过Ti2AlC基体相的含量，不能称之为Ti2AlC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Ti2AlC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^O2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ττ对Ti2AlC进行固溶强化。从而制备了 Al2O3弥散强韧化的细晶Ti2AlC固溶体复合材料。该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。


附图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 9576Zratl424) 2AlC ；增强相为Α1203。由图可以看出，该材料纯度很高，除了 (Ti0.9576Zr0.0424) 2A1C和Al2O3外，几乎没有其它杂质相。
具体实施例方式实施例一一种(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料，其原料重量组成成分为270目的Ti粉占总重量的63. 86%,200目的Al粉占总重量的20. 38%、1200目的C粉占总重量的8. 15% 和ZrO2粉占总重量的7. 61%。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、C粉以及金属氧化物&02按以下配比称量，270目的Ti粉占总重量的63. 86%、200目的Al粉占总重量的20. 38%、1200目的C粉占总重量的8. 15%、ZrO2粉占总重量的7. 61 % ；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，在真空或氩气条件下，在 1350°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，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料。本实施例所合成的(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料，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96%，增强相占总重量的4%，基体相为 (Tio.9576' &Q._)2A1C，增强相为 A1203。参照附图，表明该材料基体相由(Ti，ZiO2AlC相，含有少量杂质的TiC相，增强相为Al2O3相。实施例二一种(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料，其原料重量组成成分为270目的Ti粉占总重量的66. 08 %、200目的Al粉占总重量的21. 64 %、1200目的C粉占总重量的8. 46 % 和ZrO2粉占总重量的3. 82%。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、C粉以及金属氧化物&02按以下配比称量，270目的Ti粉占总重量的66. 08%、200目的Al粉占总重量的21. 64%、1200目的C粉占总重量的8.46%、Zr02粉占总重量的3.82% ；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47°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，在真空或氩气条件下，在 1350°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，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料。本实施例所合成的(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料，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98%，增强相占总重量的2%，基体相为 (Ti0.9795' C12J2AlC,增强相为 Al2O315实施例三一种(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料，其原料重量组成成分为270目的Ti粉占总重量的讨.56 %、200目的Al粉占总重量的21. 04 %、1200目的C粉占总重量的7. 53 % 和ZrO2粉占总重量的16. 87%。
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、C粉以及金属氧化物&02按以下配比称量，270目的Ti粉占总重量的54. 56%,200目的Al粉占 21. 04%、1200 目的 C 粉占 7. 53%、ZrO2 粉占 16.87 ；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，在真空或氩气条件下，在 1350°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，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料。本实施例所合成的(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料，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92%，增强相占总重量的8%，基体相为 (Ti0.9087' &。.。913)2A1C，增强相为 Al2O31权利要求
1.一种(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料，其特征在于，原料组成成分为Ti粉占总重量的39. 38 70. 08%, Al粉占总重量的20. 11 22.85%，C粉占总重量的6. 37 8. 84%和ZrO2粉占总重量的0. 97 31. 41%。
2.根据权利要求1所述的一种(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料，其特征在于，原料组成成分为270目的Ti粉占总重量的63.86%、200目的Al粉占总重量的20. 38%,1200 目的C粉占总重量的8. 15%和^O2粉占总重量的7. 61%。
3.根据权利要求1所述的一种(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料，其特征在于，原料组成成分为270目的Ti粉占总重量的66.08%、200目的Al粉占总重量的21. 64%、1200 目的C粉占总重量的8. 46%和^O2粉占总重量的3. 82%。
4.一种(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料的制备工艺，其特征在于，其步骤为 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、C粉以及金属氧化物^O2按以下配比称量，Ti粉占总重量的39. 38 70. 08%, Al粉占总重量的 20. 11 22. 85%，C粉占总重量的6. 37 8. 84%和ZrO2粉占总重量的0. 97 31. 41% ； 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，在 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，&)2AlC/Al203固溶体复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料的制备工艺，其特征在于，其步骤为步骤一、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、C粉以及金属氧化物按以下配比称量，270目的Ti粉占总重量的63.86%、200目的Al粉占总重量的20. 38%、1200目的C粉占总重量的8. 15%、粉占总重量的7. 61 % ；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，在真空或氩气条件下，在 1350°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，&)2AlC/Al203固溶体复合材料。
6.根据权利要求4所述的一种(Ti，Zr)2AlC/Al203固溶体复合材料的制备工艺，其特征在于，其步骤为步骤一、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、C粉以及金属氧化物按以下配比称量，270目的Ti粉占总重量的66.08%、200目的Al粉占总重量的21.64%、1200目的C粉占总重量的8. 46% JrO2粉占总重量的3. 82% ；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47°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，在真空或氩气条件下，在 1350°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，&)2AlC/Al203固溶体复合材料。
7.—种(Ti，Zr)2AlC/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，Zrx)2AlC，其中 χ 取 0. 005 0. 2241，增强相为 Al2O30
8.根据权利要求7所述的一种(Ti，&)2AlC/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(Ti0.9576, Zr0. 0424)2AIC，增强相为AI2O3。
9.根据权利要求7所述的一种(Ti，&)2AlC/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(TiQ.9795，&Q.Q2Q5)2A1C，增强相为 ai2o3。
全文摘要
一种(Ti，Zr)2AlC/Al2O3固溶体复合材料及其制备方法，按Ti粉占总重量的39.38～70.08％，Al粉占总重量的20.11～22.85％，C粉占总重量的6.37～8.84％和ZrO2粉占总重量的0.97～31.41％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Ti2AlC的细晶复合材料，并利用反应生成的Zr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C22C1/05GK102174680SQ201010623899
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者叶兰, 朱建锋, 杨文文, 杨海波, 王芬, 王莉丽, 韩娜 申请人:陕西科技大学