專利名稱：一種(Ti，Nb)₃AlC₂/Al₂O₃固溶體復合材料及其制備方法
一種(T i，Nb) 3AIC2/A1203固溶體復合材料及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬復合材料制造領(lǐng)域，特別涉及一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料 及其制備方法。
背景技術(shù)：
新型層狀陶瓷材料Ti3AlC2以其優(yōu)異性能吸引了國內(nèi)外眾多學者的廣泛研究。 11#1(2具有金屬的性能，如在常溫下具有很好的導熱性和導電性、較低的維氏硬度、較高的 彈性模量和剪切模量、可進行傳統(tǒng)的機械加工，在較高溫度下具有塑性；該材料又具有陶瓷 的性能，如高熔點、高熱穩(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、強度比較小等缺點而限制了其進一步應(yīng)用。
近年來，為改善Ti3AlC2材料的性能，人們利用固溶強韌化和復合化的手 段對其進行了改性研究，取得了較好的效果。如文獻報道(Scripta Materialia 53 (2005) 1369-1372)利用單質(zhì)V元素進行固溶改性研究，使其力學性能得到了很大的提 高，同樣原理我們可以利用Nb元素對其進行固熔改性，但該方法原料成本較高，同時合成 溫度較高，不利于其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；也有文獻(Scripta Materialia 50(2004)897-901)報道 利用Al2O3顆粒能對Ti3AlC2材料性能進行改性。但目前所采用的方法都比較單一，同時，在 制備方法上主要以Al2O3和Ti3AlC2兩種粉體混合進行燒結(jié)，或者以Al、C、TiO2為原料高溫 通過還原反應(yīng)生成Ti3AlC2Al2O3復合材料，但不管那種工藝，都存在反應(yīng)溫度高，而強度不 足，無法大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。文獻(AdvancedPowder Technology 03(2010) 1-4)報道了利 用高能球磨合成Ti3AlC2Al2O3復合材料的新方法，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，并沒有對基體相進行固溶改性。因此，如何采取 有效的途徑，利用低廉的材料合成Al2O3顆粒強韌化的固溶型Ti3AlC2復合材料是今后的研 究重點。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，Nb)3AlC2/Al203 固溶體復合材料及其制備方法，利用Ti-Al-C-Nb2O5體系為原料，通過鋁熱反應(yīng)原位反應(yīng)工 藝低溫制備Al2O3強化的Ti3AlC2固溶體復合材料；該方法利用廉價氧化物Nb2O5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， 同時原位生成的Al2O3增強相顆粒細小、均勻，使材料的性能得到了很大的提高；制備的材 料具有高強、致密、耐高溫、可加工的特點。
為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的
一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，其初始原料為純度大于等于99%，細度 小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉以及金屬氧化物Nb2O5按以下反應(yīng)式進行配比
3(l-x)Ti+(l+5x)Al+2C+3x/2Nb205 ^ (Ti1^xNbx) 3A1C2+5x/2A1203 (1) (χ = 0. 0039 0. 1685)，
結(jié)果為一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，原料組成成分為Ti粉占總重 量的45. 87 72. 95%，Al粉占總重量的14. 02 19. 10%，C粉占總重量的9. 23 12. 25% 和Nb2O5粉占總重量的0. 78 25. 81%。
一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料的制備工藝，其步驟為
步驟一、首先將純度大于等于99%，細度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉 以及金屬氧化物Nb2O5按以下配比稱量，Ti粉占總重量的45. 87 72. 95%，Al粉占14. 02 19. 10%，C 粉占 9. 23 12. 25%和 Nb2O5 粉占 0. 78 25. 81% ；
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上進行混合球 磨，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機的轉(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；
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；
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，在 1100°C 1400°C，5. 0 30MPa的壓力熱壓燒結(jié)1 2小時；
步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體 復合材料。
本發(fā)明所合成的(Ti，Nb) 3A1C2/A1203固溶體復合材料，其特征是它由基體 相和增強相兩部分組成，基體相占復合材料總重量的81. 5-99.5%，增強相占總重量的 0. 5-18. 5%,基體相為(Tih，Nbx)3A1C2，其中 χ 取 0. 0039 0. 1685，增強相為 Al2O30 如果 生成的復合材料中Al2O3生成量小于產(chǎn)物質(zhì)量的0. 5%則起不到增強、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基復合材 料，同時，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 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Nb2O5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相Al2O3 ；同時還原出的金屬單質(zhì)Nb對Ti3AlC2進行固溶強化。從而 制備了 Al2O3彌散強韌化的細晶Ti3AlC2固溶體復合材料。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，力學性能優(yōu)異，拓寬了該復合材料的應(yīng)用范圍。
具體實施方式
實施例一
一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，其原料重量組成成分為270目的Ti粉 占總重量的66. 79 %、200目的Al粉占總重量的15. 08 %、1200目的C粉占總重量的11. 55 % 和Nb2O5粉占總重量的6. 58%。
本實施例的制備工藝步驟如下
步驟一、首先將純度大于等于99%，細度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉和C 粉以及金屬氧化物Nb2O5按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的66. 79%, 200目的Al 粉占總重量的15. 08%、1200目的C粉占總重量的11. 55%和Nb2O5粉占總重量的6. 58% ；
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上進行混合球 磨，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機的轉(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；
步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在44°C下干燥6小時；
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，在 1350°C,16MPa的壓力熱壓燒結(jié)2小時；
步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體 復合材料。
本實施例所合成的(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，其特征是它由基體相 和增強相兩部分組成，基體相占復合材料總重量的96%，增強相占總重量的4%，基體相為 (Ti0.9675' NbQ.Q325) 3AlC2，增強相為 ΑΙΑ。
實施例二
一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，其原料重量組成成分為270目的Ti粉 占總重量的70. 23 %、200目的Al粉占總重量的14. 46 %、1200目的C粉占總重量的11. 93 % 和Nb2O5粉占總重量的3. 38%。
本實施例的制備工藝步驟如下
步驟一、首先將純度大于等于99%，細度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉 以及金屬氧化物Nb2O5按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的70. 23%,200目的Al粉 占總重量的14. 46%、1200目的C粉占總重量的11. 93%、Nb2O5粉占總重量的3. 38% ；
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上進行混合球 磨，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機的轉(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；
步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在47°C下干燥6小時；
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，在 1350°C,16MPa的壓力熱壓燒結(jié)2小時；
步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體 復合材料。
本實施例所合成的(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，其特征是它由基體相 和增強相兩部分組成，基體相占復合材料總重量的98%，增強相占總重量的2%，基體相為 (Ti0.9842' Nbatll58) 3A1C2，增強相為 ΑΙΑ。
實施例三
一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，其原料重量組成成分為270目的Ti 粉占總重量的59. 92%、200目的Al粉占16. 31%、1200目的C粉占10. 77%和Nb2O5粉占 13. 00%。
本實施例的制備工藝步驟如下
步驟一、首先將純度大于等于99%，細度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉 以及金屬氧化物Nb2O5按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的59. 92%、200目的Al粉 占總重量的16. 31%、1200目的C粉占總重量的10. 77%、Nb2O5粉占總重量的13. 00% ；
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上進行混合球 磨，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機的轉(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；
步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在44°C下干燥6小時；
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，在 1350°C,16MPa的壓力熱壓燒結(jié)2小時；
步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體 復合材料。
本實施例所合成的(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，其特征是它由基體相 和增強相兩部分組成，基體相占復合材料總重量的92%，增強相占總重量的8%，基體相為 (Ti0.9304' Nbatl6J3Aic2，增強相為 ΑΙΑ。
權(quán)利要求
1.一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，其特征在于，原料組成成分為Ti粉占 總重量的45. 87 72. 95%, Al粉占總重量的14. 02 19. 10%, C粉占總重量的9. 23 12. 25%禾口 Nb2O5粉占總重量的0. 78 25. 81%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，其特征在于，原料 組成成分為270目的Ti粉占總重量的66. 79%,200目的Al粉占總重量的15.08%、1200 目的C粉占總重量的11. 55%和Nb2O5粉占總重量的6. 58%0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，其特征在于，原料 組成成分為270目的Ti粉占總重量的70. 23%,200目的Al粉占總重量的14.46%、1200 目的C粉占總重量的11. 93%和Nb2O5粉占總重量的3. 38%0
4.一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料的制備工藝，其特征在于，其步驟為 步驟一、首先將純度大于等于99%，細度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉以及金屬氧化物Nb2O5按以下配比稱量，Ti粉占總重量的45. 87 72. 95%, Al粉占總重量的 14. 02 19. 10%，C粉占總重量的9. 23 12. 25%和Nb2O5粉占總重量的0. 78 25. 81%； 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上進行混合球磨， 以無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機的轉(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；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； 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，在 1100°C 1400°C，5. 0 30MPa的壓力熱壓燒結(jié)1 2小時；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合 材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料的制備工藝，其特 征在于，其步驟為步驟一、首先將純度大于等于99%，細度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉以及 金屬氧化物Nb2O5按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的66. 79%,200目的Al粉占總 重量的15. 08%、1200目的C粉占總重量的11. 55%和Nb2O5粉占總重量的6. 53% ；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上進行混合球磨，以 無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機的轉(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；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在44°C下干燥6小時；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，在 1350°C,16MPa的壓力熱壓燒結(jié)2小時；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合 材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料的制備工藝，其特 征在于，其步驟為步驟一、首先將純度大于等于99%，細度小于等于200目的金屬Ti粉、Al粉、C粉以及 金屬氧化物Nb2O5按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的70. 23%,200目的Al粉占總 重量的14. 46%、1200目的C粉占總重量的11. 93%、Nb2O5粉占總重量的3. 38% ；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上進行混合球磨，以 無水乙醇為球磨介質(zhì)，球磨機的轉(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；步驟三、將步驟二所得的球磨粉體在47°C下干燥6小時；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，在 1350°C,16MPa的壓力熱壓燒結(jié)2小時；步驟五、將步驟四所得材料自然冷卻至室溫即可得到(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合 材料。
7.—種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，其特征在于，它由基體相和增強相兩部分 組成，基體相占復合材料總重量的81. 5-99. 5 %，增強相占總重量的0. 5-18. 5%，基體相為 (Tih，Nbx) 3A1C2，其中 χ 取 0. 0039 0. 1685，增強相為 A1203。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，其特征在于，它由基 體相和增強相兩部分組成，基體相占復合材料總重量的96%，增強相占總重量的4%，基體相為(Ti。.9675， iNU0. 0325)3A1C2，增強相為 A1203。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種(Ti，Nb)3AlC2/Al203固溶體復合材料，其特征在于，它由基 體相和增強相兩部分組成，基體相占復合材料總重量的98%，增強相占總重量的2%，基體 相為(TiQ.9842，NbacilJ3AlC2，增強相為 Al2O30
全文摘要
一種(Ti，Nb)3AlC2/Al2O3固溶體復合材料及其制備方法，按Ti粉占總重量的45.87～72.95％，Al粉占總重量的14.02～19.10％，C粉占總重量的9.23～12.25％和Nb2O5粉占總重量的0.78～25.81％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相，制備了Al2O3彌散相強化基體相Ti3AlC2的細晶復合材料，并利用反應(yīng)生成的Nb對基體相進行固溶強化。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，力學性能優(yōu)異，拓寬了該復合材料的應(yīng)用范圍。另外，該方法降低了燒成溫度及熱壓壓力，在快速燒成中實現(xiàn)了晶粒微晶化。
文檔編號C22C32/00GK102041425SQ201010623889
公開日2011年5月4日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者葉蘭, 朱建鋒, 楊文文, 楊海波, 林營, 陳平, 韓娜 申請人:陜西科技大學