[发明专利]一种钛铝碳陶瓷增强Ti3Al基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学与工程领域，具体涉及一种钛铝碳陶瓷增强Ti₃Al基复合材料及其制备方法。

背景技术

Ti₃Al金属间化合物与普通钛合金相比，其密度相当而使用温度更高(600～750℃)，适合于制作航空航天飞行器中承受较高温度的结构件，相比于镍基高温合金，能减重40％左右，从而不仅能极大地提高发动机单位重量的推力，而且能改善发动机的其它性能，受到研究者的广泛关注。但由于室温脆性问题迟迟未被突破，其应用化进程受阻。国内在Ti₃Al的强韧化机制、合金化、制造工艺、组织性能研究方面开展了大量研究，取得了重要突破，发展而成的TD2、TAC-1合金都已进入应用研究阶段，作为转子零件的TD2合金的涡轮导风板也成功地经受了发动机试车考验；利用TAC-1合金优异的超塑性和良好的焊接性能，已制作成功宇航用涡轮壳体组件、卫星波纹板以及姿态发动机部件等多个试验件，参见文献(张永刚，韩雅芳，陈国良，郭建亭，万晓景，冯涤，金属间化合物结构材料，北京：国防工业出版社，2001)。

复合材料技术被认为是改善Ti₃Al基合金性能的另一种有效途径。相对于长纤维(如SiC)增强复合材料，颗粒增强复合材料对基体和增强相的热膨胀系数不匹配性和化学反应敏感性小，且颗粒增强复合材料具有制备简单、各向同性、易二次加工等优点。Ti₃AlC和Ti₃AlC₂三元碳化物兼具金属和陶瓷的双重优异性能，受到了广泛关注，且Ti₃AlC和Ti₃AlC₂与Ti₃Al的热膨胀系数接近，成为Ti₃Al基复合材料理想的增强相。

在国内，哈尔滨工业大学魏尊杰等人熔化海绵钛、高纯铝和Al/TiC中间合金获得铸锭，为了保证化学成分均匀，铸锭被重熔三次，从而获得原位自生Ti₃Al金属间化合物基复合材料(魏尊杰，王宏伟，张二林，张虎，曾松岩，原位自生Ti₃Al金属间化合物基复合材料的微观结构，材料科学与工艺，2001，9(1)：100-103)。上述方法工艺复杂，工序繁多，周期长，并且产物中有杂质相TiC存在，生产成本高。虽然文献报道了国外有关SiC纤维增强的Ti₃Al基复合材料(姜国庆，武高辉，刘艳梅，连续纤维增强钛铝金属间化合物基复合材料的研究进展，材料导报，2008，22：404-408，433)，但存在制备成本高，工艺有待优化，界面问题及增强体与基体热膨胀不匹配问题导致界面开裂等。纵观国内，还尚未见以Ti、Al、TiC和碳纳米管为原料，采用压力协助原位合成技术制备Ti₃AlC-Ti₃AlC₂/Ti₃Al基复合材料的研究报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛铝碳陶瓷增强Ti₃Al基复合材料及其制备方法，该方法制备工艺简单、成本低、制得的产品结构致密，并利用热压烧结达到良好的界面结合，解决了现有的连续纤维增强Ti₃Al基复合材料的制备方法复杂、效率低、成本高等问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种钛铝碳陶瓷增强Ti₃Al基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、按质量分数计，将64.79～79.89％的Ti粉、15.61～15.69％的Al粉、3.02～18.04％的TiC粉和1.48％的碳纳米管装入球磨罐中，球磨至物料混合均匀，得到混合粉体；

步骤二、将得到的混合粉体烘干后装入模具中，进行真空热压烧结固化，从室温升温至1200～1400℃的烧结温度，并在烧结温度及20～40MPa的压力下保温1-4h，然后自然冷却，得到钛铝碳陶瓷增强Ti₃Al基复合材料。

所述的碳纳米管的直径为1～3纳米。

所述步骤一中采用湿法球磨，以无水乙醇或丙酮为球磨介质，球料比为(5～7):1，在500～750转/分钟的转速下球磨1～10小时，使物料混合均匀。

所述的球磨是在行星式球磨机上进行的，采用的球磨罐为不锈钢球磨罐，并采用不锈钢球作为磨球。

所述步骤二中的模具为石墨模具，并且在模具内部铺放有石墨纸。