專利名稱：一種(Ti,Cr)₃AlC₂/Al₂O₃復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬復(fù)合材料制造領(lǐng)域，特別涉及一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，新型層狀陶瓷材料Ti3AlC2以其優(yōu)異性能吸引了國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛研究。Ti3AlC2具有金屬的性能，如在常溫下具有很好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、較低的維氏硬度、 較高的彈性模量和剪切模量，在室溫下可進(jìn)行傳統(tǒng)的機(jī)械加工，在較高溫度下能產(chǎn)生塑性變形；該材料又具有陶瓷的性能，如高熔點(diǎn)、高溫?zé)岱€(wěn)定性和良好的抗氧化性能。但該材料也存在燒結(jié)溫度高，溫度范圍小，以及硬度低、強(qiáng)度比較小等缺點(diǎn)而限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。為改善Ti3AlC2材料的性能，人們利用固溶強(qiáng)韌化和復(fù)合化的手段對(duì)其進(jìn)行了改性研究，取得了較好的效果。如文獻(xiàn)報(bào)道(Surface &Coatings Technology 203 Q009) 3595-3609)利用單質(zhì)Cr元素進(jìn)行固溶改性研究，使材料力學(xué)性能得到了很大的提高，但該方法原料成本較高，同時(shí)合成溫度較高，不利于其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；也有文獻(xiàn) (ScriptaMaterialia 50(2004)897-901)報(bào)道利用 Al2O3 顆粒能對(duì) Ti3AlC2 材料性能進(jìn)行改性。但目前所采用的方法都比較單一，同時(shí)，在制備方法上主要以Al2O3和Ti3AlC2兩種粉體混合進(jìn)行燒結(jié)，或者以Al、C、TiO2為原料高溫通過還原反應(yīng)生成Ti3AlC2Al2O3復(fù)合材料， 但不管那種工藝，都存在反應(yīng)溫度高而強(qiáng)度相對(duì)較低等不足，無法大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。文獻(xiàn) (Advanced Powder Technology 03(2010) 1-4)報(bào)道了利用高能球磨合成 Ti3AlC2Al2O3 復(fù)合材料的新方法，該方法所合成的材料在性能上有了很大的提高，但高能球磨難以工業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)，并沒有對(duì)基體相進(jìn)行固溶改性。因此，如何采取有效的途徑，利用低廉的材料合成Al2O3顆粒強(qiáng)韌化的固溶型Ti3AlC2復(fù)合材料將會(huì)成為今后的研究重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203 復(fù)合材料及其制備方法，利用Ti-Al-C-Cr2O3體系為原料，通過鋁熱反應(yīng)原位反應(yīng)工藝低溫制備Al2O3強(qiáng)化的Ti3AlC2固溶體復(fù)合材料；該方法利用廉價(jià)氧化物Cr2O3替代了昂貴的金屬單質(zhì)，降低了原料成本；利用鋁熱還原反應(yīng)自身的反應(yīng)熱，降低了材料的合成溫度，同時(shí)原位生成的Al2O3增強(qiáng)相顆粒細(xì)小、均勻，使材料的性能得到了很大的提高，所制備的材料具有高強(qiáng)、致密、耐高溫、可加工的特點(diǎn)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種(Ti，Cr) 3A1C2/A1203復(fù)合材料，其初始原料為純度大于等于99%，細(xì)度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉以及金屬氧化物Cr2O3，按以下反應(yīng)式進(jìn)行配比3(l-x)Ti+(l+3x)Al+2C+3x/2Cr203 ^ (Ti1^xCrx) 3A1C2+3x/2A1203 (1) (χ = 0. 0064 0. 2555)，結(jié)果為一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料，原料組成成分為Ti粉占總重量的43. 06 72. 82%，Al粉占總重量的14. 03 19. 19%，C粉占總重量的9. 67 12. 26%和 Cr2O3粉占總重量的0. 89 28. 08%。一種(Ti，Cr) 3A1C2/A1203復(fù)合材料的制備方法，步驟如下步驟一、首先將純度大于等于99%，細(xì)度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、碳粉以及金屬氧化物Cr2O3按以下配比稱量，Ti粉占總重量的43. 06 72. 82%, Al粉占總重量的14. 03 19. 19%, C粉占總重量的9. 67 12. 26%和Cr2O3粉占總重量的0. 89 28. 08% ；步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合球磨，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為600 900轉(zhuǎn)每分鐘，料球乙醇的質(zhì)量比 =1:3: 1，球磨0. 5 1. 5小時(shí)；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在40 50°C下干燥4 8小時(shí)；步驟四、將步驟三所得的干燥后的粉體裝入石墨模具中，在真空或氬氣條件下， 1100°C 1400°C，5. 0 30MPa的壓力熱壓燒結(jié)1 2小時(shí)；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料。本發(fā)明所合成的(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料，其特征是它由基體相和增強(qiáng)相兩部分組成，基體相占復(fù)合材料總重量的81. 5 99. 5%%，增強(qiáng)相占總重量的0. 5-18. 5%, 基體相為OVx，Crx)3AlC2，其中χ取0.0064 0. 2555，增強(qiáng)相為Al2O315如果生成的復(fù)合材料中Al2O3生成量小于產(chǎn)物質(zhì)量的0. 5%則起不到增強(qiáng)、增韌Ti3AlC2基體的作用，反之， 如果產(chǎn)物中Al2O3相量超過Ti3AlC2基體相的含量，不能稱之為Ti3AlC2基復(fù)合材料，同時(shí)， Al2O3生成量將超過18. 5%，過量的Al2O3不但起不到改善Ti3AlC2的作用，反而會(huì)惡化其性能。因此確定了以上組分范圍。本發(fā)明利用Ti粉、Al粉、C粉以及Cr2O3粉體為原料，通過鋁熱反應(yīng)在基體相生成的過程中自生顆粒增強(qiáng)相Al2O3 ；同時(shí)還原出的金屬單質(zhì)Cr對(duì)Ti3AlC2進(jìn)行固溶強(qiáng)化。從而制備了 Al2O3彌散強(qiáng)韌化的細(xì)晶Ti3AlC2固溶體復(fù)合材料。由于該工藝所合成的材料成分可調(diào)性大，燒成溫度低，結(jié)構(gòu)均勻致密，成本較低，力學(xué)性能優(yōu)異，拓寬了該復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。


圖1為實(shí)例一所得試樣的物相分析結(jié)果；橫坐標(biāo)為衍射角，縱坐標(biāo)為衍射峰強(qiáng)度， 其中基體相為(Tia 9468Cratl532) 3AlC2 ；增強(qiáng)相為A1203。圖2為實(shí)例二所得試樣的物相分析結(jié)果；橫坐標(biāo)為衍射角，縱坐標(biāo)為衍射峰強(qiáng)度， 其中基體相為(Tia 974tlCraci26tl)3AlC2 ；增強(qiáng)相為 A1203。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料，原料組成成分為270目的Ti粉占總重量的 65. 84%,200目的Al粉占總重量的16. 66%、1200目的C粉占總重量的10. 47%, Cr2O3粉占總重量的7. 03%。
本實(shí)施例的制備工藝步驟如下步驟一、首先將純度大于等于99%，細(xì)度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、碳粉以及金屬氧化物Cr2O3按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的65. 84%、200目的Al粉占總重量的16. 66%、1200目的C粉占總重量的10. 47%、Cr203粉占總重量的7. 03% ；步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合球磨，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)每分鐘，料球乙醇的質(zhì)量比= 1:3: 1，球磨1小時(shí)；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在44°C下干燥6小時(shí)；步驟四、將步驟三所得的干燥后的粉體裝入石墨模具中，在真空條件下，1360°C， 16MPa的壓力熱壓燒結(jié)2小時(shí)；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料。本實(shí)施例所合成的(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料，參照?qǐng)D1，其特征在于，它由基體相和增強(qiáng)相兩部分組成，其中基體相(Tia 9477，Cr0.0523) 3AlC2占總重量的96%，Al2O3相占產(chǎn)物總質(zhì)量的4%。實(shí)施例二一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料，原料組成成分為270目的Ti粉占總重量的 69. 73%,200目的Al粉占總重量的15. 95%,1200目的C粉占總重量的10. 78%, Cr2O3粉占總重量的3. 54% ο本實(shí)施例的制備工藝步驟如下步驟一、首先將純度大于等于99%，細(xì)度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、碳粉以及金屬氧化物Cr2O3按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的69. 73%,200目的Al粉占總重量的15. 95%、1200目的C粉占總重量的10. 78%、Cr2O3粉占總重量的3. 54% ；步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合球磨，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)每分鐘，料球乙醇的質(zhì)量比= 1:3: 1，球磨1小時(shí)；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在44°C下干燥6小時(shí)；步驟四、將步驟三所得的干燥后的粉體裝入石墨模具中，在真空條件下，1250°C， 16MPa的壓力熱壓燒結(jié)2小時(shí)；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料。本實(shí)施例所合成的(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料，其特征在于，它由基體相和增強(qiáng)相兩部分組成，其中基體相(Tia 974tl, Cr0.02J3AlC2占總重量的98%，Al2O3相占產(chǎn)物總質(zhì)量
2 % ο參照?qǐng)D2，表明該材料基體相由(Ti，CiO3AlC2相，含有少量雜質(zhì)TiC相，增強(qiáng)相為 Al2O3 相。實(shí)施例三一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料，原料組成成分為270目的Ti粉占總重量的 57. 89%,200目的Al粉占總重量的17. 96%,1200目的C粉占總重量的10. 35%, Cr2O3粉占總重量的13. 80%。本實(shí)施例的制造方法，包括以下步驟步驟一、首先將純度大于等于99%，細(xì)度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、碳粉以及金屬氧化物Cr2O3按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的57. 89%、200目的Al粉占總重量的17. 96%、1200目的C粉占總重量的10. 35%、Cr2O3粉占總重量的13. 80% ；步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合球磨，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)每分鐘，料球乙醇的質(zhì)量比= 1:3: 1，球磨1小時(shí)；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在44°C下干燥6小時(shí)；步驟四、將步驟三所得的干燥后的粉體裝入石墨模具中，在真空條件下，1360°C， 16MPa的壓力熱壓燒結(jié)2小時(shí)；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料。本實(shí)施例所合成的(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料，其特征在于，它由基體相和增強(qiáng)相兩部分組成，其中基體相(Tia 8886，Cram4)3A1C2占總重量的92%，Al2O3相占產(chǎn)物總質(zhì)量 8%。
權(quán)利要求
1.一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料，其特征在于，原料組成成分為Ti粉占總重量的 43. 06 72. 82%，Al粉占總重量的14. 03 19. 19%，C粉占總重量的9. 67 12. 26%和 Cr2O3粉占總重量的0. 89 28. 08%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料，其特征在于，原料組成成分為270目的Ti粉占總重量的65. 84%、200目的Al粉占總重量的16. 66%、1200目的C 粉占總重量的10. 47%、Cr2O3粉占總重量的7.03%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料，其特征在于，原料組成成分為270目的Ti粉占總重量的69. 73%,200目的Al粉占總重量的15. 95%、1200目的C 粉占總重量的10. 78%、Cr2O3粉占總重量的3. 54% 0
4.一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟如下步驟一、首先將純度大于等于99%，細(xì)度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、碳粉以及金屬氧化物Cr2O3 按以下配比稱量，Ti粉占總重量的43. 06 72. 82%，Al粉占總重量的14. 03 19. 19%, C粉占總重量的9. 67 12. 26%和Cr2O3粉占總重量的0. 89 28. 08% ；步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合球磨， 以無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為600 900轉(zhuǎn)每分鐘，料球乙醇的質(zhì)量比= 1:3: 1，球磨0. 5 1. 5小時(shí)；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在40 50°C下干燥4 8小時(shí)；步驟四、將步驟三所得的干燥后的粉體裝入石墨模具中，在真空或氬氣條件下， 1100°C 1400°C，5. 0 30MPa的壓力熱壓燒結(jié)1 2小時(shí)；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟如下步驟一、首先將純度大于等于99%，細(xì)度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、碳粉以及金屬氧化物Cr2O3按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的65. 84%、200目的Al粉占總重量的16. 66%、1200目的C粉占總重量的10. 47%、Cr203粉占總重量的7. 03% ；步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合球磨，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)每分鐘，料球乙醇的質(zhì)量比=1 3 1， 球磨1小時(shí)；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在44°C下干燥6小時(shí)；步驟四、將步驟三所得的干燥后的粉體裝入石墨模具中，在真空條件下，1360°C，16MPa 的壓力熱壓燒結(jié)2小時(shí)；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 步驟如下步驟一、首先將純度大于等于99%，細(xì)度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、碳粉以及金屬氧化物Cr2O3按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的69. 73%,200目的Al粉占總重量的15. 95%、1200目的C粉占總重量的10. 78%、Cr2O3粉占總重量的3. 54% ；步驟二、將步驟一中的配料放入氧化鋁球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合球磨，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)每分鐘，料球乙醇的質(zhì)量比=1 3 1，球磨1小時(shí)；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在44°C下干燥6小時(shí)；步驟四、將步驟三所得的干燥后的粉體裝入石墨模具中，在真空條件下，1250°C，16MPa 的壓力熱壓燒結(jié)2小時(shí)；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可。
7.—種(Ti，Cr)3AlC2/Al203固溶體復(fù)合材料，其特征在于，它由基體相和增強(qiáng)相兩部分組成，基體相占復(fù)合材料總重量的81. 5 99. 5%%，增強(qiáng)相占總重量的0. 5-18. 5%，基體相為(Tih，Crx) 3A1C2，其中 χ 取 0. 0064 0. 2555，增強(qiáng)相為 Al2O30
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203固溶體復(fù)合材料，其特征在于，它由基體相和增強(qiáng)相兩部分組成，基體相占復(fù)合材料總重量的96%%，增強(qiáng)相占總重量的4%， 基體相為(TiQ.9477，Cratl523) 3A1C2，增強(qiáng)相為 A1203。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種(Ti，Cr)3AlC2/Al203固溶體復(fù)合材料，其特征在于，它由基體相和增強(qiáng)相兩部分組成，基體相占復(fù)合材料總重量的98%，增強(qiáng)相占總重量的2%，基體相為(Ti 0. 9740，Cratl2J3AlC2，增強(qiáng)相為 A1203。
全文摘要
一種(Ti，Cr)3AlC2/Al2O3復(fù)合材料及其制備方法，按Ti粉占總重量的43.06～72.82％，Al粉占總重量的14.03～19.19％，C粉占總重量的9.67～12.26％和Cr2O3粉占總重量的0.89～28.08％的比例經(jīng)熱壓燒結(jié)工藝，通過鋁熱反應(yīng)在基體相生成的過程中自生顆粒增強(qiáng)相，制備了Al2O3彌散相強(qiáng)化基體相Ti3AlC2的細(xì)晶復(fù)合材料，并利用反應(yīng)生成的Cr對(duì)基體相進(jìn)行固溶強(qiáng)化；由于該材料成分可調(diào)性大，燒成溫度低，結(jié)構(gòu)均勻致密，成本較低，力學(xué)性能優(yōu)異，拓寬了該復(fù)合材料的應(yīng)用范圍；另外，該方法降低了燒成溫度及熱壓壓力，在快速燒成中實(shí)現(xiàn)了晶粒微晶化。
文檔編號(hào)C22C32/00GK102181765SQ201010623870
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者朱建鋒, 楊海波, 林營, 王芬, 王莉麗, 韓娜 申請(qǐng)人:陜西科技大學(xué)