[发明专利]一种Ti2AlC/TiAl 基复合材料及其低温制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学与工程领域，具体涉及一种Ti₂AlC/TiAl基复合材料及其低温制备方法。

背景技术

TiAl金属间化合物由于其原子的长程有序排列和原子间的金属键及共价键的共存，使其可能同时兼顾金属的塑性和陶瓷的高温强度。即具有一般金属和合金所没有的高的比强度、比刚度、比模量以及良好的抗高温氧化、抗蠕变和抗氢脆等性能。综合性能指标优于钴基、镍基等高温合金，而且韧性又高于普通的陶瓷，有望用于喷气发动机和涡轮等航空航天、汽车工业的耐高温部件以及超高速飞行器的翼、壳体等，被认为是极具应用潜力的新一代轻质耐高温结构材料。尤其是TiAl金属间化合物，应用于航空航天及汽车发动机将通过结构减重提高发动机工作效率，具有重要的技术推动作用。

但是TiAl金属间化合物室温塑性和韧性差，难以成形加工，使用温度高于800℃时抗氧化性能迅速降低等问题成为限制其应用化进程的主要障碍。研究表明，复合化手段是提高TiAl金属间化合物韧性和高温强度、改善高温性能并促进其实用化最有效的方法之一。相对于长纤维增强型，颗粒增强TiAl基金属间化合物对基体和增强相的热膨胀系数不匹配性和化学敏感性小，且颗粒增强具有各向同性、制备工艺简单、二次加工简单、价格相对低廉，因而具有更大的应用前景。但大多数陶瓷增强相如SiC、Al₂O₃、TiC、TiB₂属脆性相，会使得所制备的TiAl基金属间化合物变得更脆。一类三元层状化合物M_n+1AX_n（M代表过渡金属元素，A代表第Ⅲ或第Ⅳ主族，X是C或N，简称MAX），兼具金属和陶瓷的双重性能，受到了广泛关注。典型代表化合物有Ti₂AlC和Ti₃AlC₂，而且Ti₂AlC和Ti₃AlC₂和TiAl的热膨胀系数接近，是TiAl金属间化合物理想的增强相。济南大学岳云龙（岳云龙等，Ti₂AlC/TiAl复合材料热处理组织的细化，稀有金属材料与工程，2007年，36（2）：189-193）先以Ti粉、Al粉、Nb粉、B粉为原料，采用热爆反应合成了Ti-47.66Al-2.22Nb和Ti-47.66-2.22Nb-1.34B合金粉末，然后将合金粉末与TiC混合，采用放电等离子烧结技术制得Ti₂AlC/TiAl复合材料，并对其进行多步热处理，热处理温度达到1390℃。西北工业大学曾凌霄（曾凌霄等，自生Ti₂AlC/TiAl复合材料的组织及反应过程，稀有金属材料与工程，2013年，42（4）：785-788）采用自蔓延燃烧合成及真空电弧熔炼的方法，以碳纤维（C_f）、钛粉及铝粉为原料，合成了Ti₂AlC/TiAl复合材料。武汉理工大学梅炳初（梅炳初等，放电等离子烧结制备致密TiAl/Ti₂AlC复合材料，材料科学与工程学报，2003年，21（3）：356-359）以Ti/Al/TiC为原料，采用放电等离子烧结工艺制备致密TiAl/Ti₂AlC复合材料，当烧结温度为900℃时，Ti₂AlC开始出现，但含有大量TiC杂相；当烧结温度为1150℃，复合材料由TiAl、Ti₃Al和Ti₂AlC组成，并进行了后续热处理工艺。陕西科技大学王芬（王芬等，原位合成Ti₂AlC/TiAl复合材料的显微组织与性能，特种铸造及有色合金，2008年，28（2）：145-147）采用单质Ti粉、Al粉、C粉为原料，采用原位热压技术于1200℃制备出了Ti₂AlC/TiAl复合材料。上述方法主要通过原材料中各组分之间的化学合成反应生成Ti₂AlC，而且许多工艺常常需要后续高温热处理等工序，周期长，工艺复杂，设备要求高，烧结温度高（＞1100℃，若温度低会有TiC杂质相存在），生成所需能耗大，增加了制备成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Ti₂AlC/TiAl基复合材料及其低温制备方法，该方法烧结温度低，制得的Ti₂AlC/TiAl基复合材料的弯曲强度和断裂韧性高。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：