-SiC相协同增强Ni基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料科学与工程领域，具体涉及一种Ti3AlC2-SiC相协同增强Ni基复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]Ni基高温合金具有热稳定性好、高温强度和硬度高、耐腐蚀、抗磨损等特点，由于它的最高使用温度比铁基、钴基高温合金高出150?200°C左右，因此广泛地用于制作涡轮盘等发动机关键部件。随着现代工业的发展，由于涡轮盘等工作温度的进一步提高，要求合金具有更好的高温强度和工作温度。目前，第二相强化已成为一种有效手段。通过第二相强化使合金的强度和硬度提高，已使用的陶瓷增强相有SiC纤维、A1203颗粒、WC颗粒、Y203颗粒等。
[0003]Ti3AlC2三元碳化物兼具金属和陶瓷的双重优异性能，熔点高，室温导热和导电性能好，杨氏模量和剪切模量高，热稳定性好，耐腐蚀，抗氧化性能好，可机械加工，高温还具有塑性。最令人不可思议的是，耐磨性和自润滑性非常突出，受到了研究者的广泛关注，成为Ni基高温合金较为理想的增强相。
[0004]SiC陶瓷不仅具有优异的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能(强度、抗蠕变性能等)非常高，常作为增强相用于改善其它陶瓷或金属的性能。但是目前为止，还没有研究者利用核壳结构Ti3AlC2-SiC颗粒协同增强Ni基复合材料的相关报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种Ti3AlC2_SiC相协同增强Ni基复合材料及其制备方法，该方法充分发挥了 Ti3AlC2和SiC的优势，能够提高Ni基高温合金的综合性能，且制备工艺简单易行，烧结温度低，制备成本低。
[0006]为达到上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007 ] 一种T i 3A1 C2_S i C相协同增强Ni基复合材料的制备方法，包括以下步骤:
[0008]1)按质量比为1:1?1:10将SiC粉和Ti3Al(^^混合后装入球磨罐中，干法球磨10?30h，得到以SiC为核、Ti3AlC2为壳的核壳结构Ti3AlC2-SiC粉体；
[0009]2)按质量分数计，将5?50%的核壳结构Ti3AlC2_SiC粉体与50?95%的Ni粉混合后装入球磨罐中，湿法球磨30?90min，然后对球磨产物进行干燥处理，得到复合粉体；
[0010]3)将复合粉体装入模具中进行真空热压烧结固化，设置压力为10?30MPa，从室温升温至900°C?1150°C的烧结温度，保温0?60min，然后随炉自然冷却，即得到Ti3AlC2_SiC相协同增强Ni基复合材料。
[0011 ] 所述步骤1)中球磨时的球料比为6:1?10:1，球磨机转速为500?900r/min。
[0012]所述步骤2)中球磨时的球料比为3:1?5:1，球磨助剂为乙醇，球磨机转速为200?500r/mino
[0013]所述步骤1)和步骤2)中使用的球磨罐为不锈钢球磨罐，使用的磨球为不锈钢磨球，使用的球磨机为行星式球磨机。
[0014]所述步骤3)中的升温速率为8?10°C/min。
[0015]制得的Ti3AlC2_SiC相协同增强Ni基复合材料中增强相均匀分布在基体相中，其中Ni为基体相，Ti3AlC2-SiC相为增强相，且Ti3AlC2-SiC相呈以SiC为核、Ti3AlC2为壳的核壳结构。
[0016]该复合材料的弯曲强度为1059.17?1101.36MPa，断裂韧性为22.14?27.92MPa.m1/2。
[0017]相对于现有技术，本发明的有益效果为:
[0018]本发明提供的Ti3AlC2_SiC相协同增强Ni基复合材料的制备方法，首先将SiC粉和Ti3AlC2粉进行干法高能球磨，形成Ti3AlC2-SiC核壳结构，然后与Ni粉经湿法球磨混合均匀，干燥后进行真空热压烧结，得到Ti3AlC2-SiC相协同增强Ni基复合材料。本发明的优点在于，通过对高强高硬度的SiC粉和高热稳定性及抗氧化能力较强的柔性导电Ti3AlC2粉进行干法高能球磨，获得以SiC为核、Ti3AlC2为壳的核壳结构Ti3AlC2-SiC粉体，用于增强Ni基合金，既不会降低Ni基合金的导电性，又能充分发挥Ti3AlC2和SiC的优点，Ti3AlC2导电性强不会影响Ni基合金的导电性能，还可发挥其增韧效果，SiC高强高硬可大大提高Ni基合金的强度和硬度，可实现Ni基复合材料性能的进一步改善。且该方法制备工艺简单，易于操作，烧结温度低，制备成本低，适合制造需要高强度、高耐磨、耐高温的零部件。
[0019]本发明制得的Ti3AlC2_SiC相协同增强Ni基复合材料具有优于其各组分性能的整体优异性能，具有高强度、高韧性等显著特点，并且由于其固有的核壳结构而使其性能的可控性强，可满足现代工业对高温合金具有更高的高温强度和工作温度的苛刻要求，有望用于制造航空喷气发动机及各种工业燃气机的最热端部件，在航空航天、交通运输、机械制造等工业领域展示出广泛的应用前景。
[0020]进一步的，经过实验证实，本发明制得的Ti3AlC2_SiC相协同增强Ni基复合材料，其弯曲强度高达1059.17?1101.36MPa，断裂韧性高达22.14?27.92MPa.m1/2，远高于一般的陶瓷增强Ni基合金的强度和韧性。
【附图说明】
[0021]图1为实施例1制备的Ti3AlC2_SiC相协同增强Ni基复合材料的光学显微照片。
[0022]图2为实施例2制备的Ti3AlC2_SiC相协同增强Ni基复合材料的光学显微照片。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0024]实施例1
[0025]1)将SiC/Ti3AlC2(质量比)为1:1的混合粉装入不锈钢球磨罐中，不锈钢磨球/混合粉(质量比)8:1，抽真空后采用行星式球磨机干法高能球磨10h，球磨机转速为600r/min，获得核壳结构Ti3AlC2-SiC粉体。
[0026]2)称取质量分数为10%的SiC-Ti3AlC2粉体与90%的Ni粉体装入不锈钢球磨罐中，不锈钢磨球/混合粉(质量比)3:1，以乙醇为球磨助剂，湿法球磨30min，球磨机转速为200r/min，使粉体混合均匀，然后进行低温干燥处理，得到复合粉体。
[0027]3)将干燥后的复合粉体装入模具中，进行真空热压烧结固化，以10°C/min的升温速率从室温升温至1000°C的烧结温度，保温30min，此过程中施加的压力为25MPa，然后随炉自然冷却，即得到Ti3AlC2-SiC相协同增强Ni基复合材料。
[0028]图1为实施例1制备的Ti3AlC2_SiC相协同增强Ni基复合材料的光学显微照片，由图1可见，制得的Ti3AlC2-SiC相协同增强Ni基复合材料结构致密，增强相颗粒细小并呈弥散分布在基体相中。
[0029]采用三点弯曲法测量实施例1制备的Ti3AlC2_SiC相协同增强Ni基复合材料的弯曲强度为1101.36MPa，采用三点弯曲单边切口梁法(SENB)测量其断裂韧性为27.92MPa.πι1/2。
[0030]实施例2
[0031]1)将SiC/Ti3AlC2(质量比)为1:2的混合粉装入不锈钢球磨罐中，不锈钢磨球/混合粉(质量比)8:1，抽真空后采用行星式球磨机干法高能球磨10h，球磨机转速为600r/min，获得核壳结构Ti3AlC2-SiC粉体。
[0032]2)称取质量分数为15%的SiC-Ti3AlC2粉体与85%的Ni粉体装入不锈钢球磨罐中，不锈钢磨球/混合粉(质量比)3:1，以乙醇为球磨助剂，湿法球磨30min，球磨机转速为200r/min，使粉体混合均匀，然后进行低温干燥处理，得到复合粉体。
[0033]3)将干燥后的复合粉体装入模具中，进行真空热压烧结固化，以10°C/min的升温速率从室温升温至1000°C的烧结温度，保温30min，此过程中施加的压力为25MPa，然后随炉自然冷却，即得到Ti3AlC2-SiC相协同增强Ni基复合材料。
[0034]图2为实施例2制备的Ti3AlC2_SiC相协同增强Ni基复合材料的光学显微照片，由图2可见，制得的Ti3AlC2-SiC相协同增强Ni基复合材料结构致密，增强相含量明显增多，增强相在基体相中的分布较为均匀，但含量增大后团聚现象会加剧。
[0035]采用三点弯曲法测量实施例2制备的Ti3AlC2_SiC相协同增强Ni基复合材料的