專利名稱：一種(Ti,Zr)₃AlC₂/Al₂O₃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，Zr)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。 Ti3AlC2是一種同時具有陶瓷和金屬優(yōu)點的三元層狀易加工材料，屬六方晶系。在常溫下具 有較低的硬度、低密度、良好的導電性和導熱性、優(yōu)越的抗熱振性能、較高的彈性模量和剪 切模量，在較高溫度下具有塑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ττ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 Ti3AlC2/Al203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，Zr)3AlC2/Al203 固溶體復合材料及其制備方法，利用Ti-Al-CjiO2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^O2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；所制備的 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，Zr)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^O2按以下反應(yīng)式進行配比3 (1-x) Ti+(l+4x) Al+2C+3xZr02 — (Ti1^xZrx) 3A1C2+2xA1203 (1) (χ = 0. 0048 0. 2158)結(jié)果為一種(Ti，Zr)3AlC2/Al203固溶體復合材料，原料組成成分為Ti粉占總重量的41. 33 72. 79%，Al粉占總重量的14. 01 18. 45%，C粉占總重量的8. 81 12. 23% 和ZrO2粉占總重量的0. 97 31. 41 %。一種(Ti，Zr)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&02按以下配比稱量，Ti粉占總重量的41. 33 72. 79%，Al粉占總重量的 14. 01 18. 45%，C粉占總重量的8. 81 12. 23%和粉占總重量的0. 97 31. 41%；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，Zr)3AlC2/Al203固溶體 復合材料。本發(fā)明所合成的(Ti，Zr) 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，Zrx)3A1C2，其中 χ 取 0. 0048 0. 2158，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^O2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)ττ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。該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。
具體實施例方式實施例一一種(Ti，Zr)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65. 92 %、200目的Al粉占總重量的14. 94 %、1200目的C粉占總重量的11. 43 % 和ZrO2粉占總重量的7. 71%。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&02按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的65. 92%、200目的Al粉 占總重量的14. 94%、1200目的C粉占總重量的11.43%和&02粉占總重量的7. 71% ；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 1360°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，Zr)3AlC2/Al203固溶體 復合材料。本實施例所合成的(Ti，Zr)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 (Ti0.9591' &Q._9)3A1C2，增強相為 Al2O30實施例二一種(Ti，Zr)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69. 86 %、200目的Al粉占總重量的14. 39 %、1200目的C粉占總重量的 11. 88% JrO2粉占總重量的3.87%。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&02按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的69. 86%、200目的Al粉 占總重量的14. 39%、1200目的C粉占總重量的11.88%、Zr02粉占總重量的3.87% ；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 1360°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，Zr)3AlC2/Al203固溶體 復合材料。本實施例所合成的(Ti，Zr)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 (Ti0.9803' &。.。197)3A1C2，增強相為 Al2O315實施例三一種(Ti，Zr)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57. 56 %、200目的Al粉占總重量的16. 02 %、1200目的C粉占總重量的 10. 55%、&02粉占總重量的15. 87%。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&02按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的57. 56%,200目的Al粉 占總重量的16. 02%、1200目的C粉占總重量的10. 55%、Zr02粉占總重量的15. 87% ；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 1360°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，Zr)3AlC2/Al203固溶體 復合材料。本實施例所合成的(Ti，Zr)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 (Ti0.9121' &。.。879) 3A1C2，增強相為 Al2O31權(quán)利要求
1.一種(Ti，Zr)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41. 33 72. 79%, Al粉占總重量的14. 01 18. 45%, C粉占總重量的8. 81 12. 23%禾口 ZrO2粉占總重量的0. 97 31. 41%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種(Ti，Zr)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65.92%、200目的Al粉占總重量的14.94%、1200 目的C粉占總重量的11. 43%和ZrO2粉占總重量的7. 71%
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種(Ti，Zr)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69.86%、200目的Al粉占總重量的14. 39%,1200 目的C粉占總重量的11. 88%, ZrO2粉占總重量的3. 87%。
4.一種(Ti，Zr)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^O2按以下配比稱量，Ti粉占總重量的41. 33 72. 79%, Al粉占總重量的 14. 01 18. 45%，C粉占總重量的8. 81 12. 23%和粉占總重量的0. 97 31. 41%； 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，Zr)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，Zr)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 金屬氧化物按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的65.92%、200目的Al粉占總 重量的14.94%、1200目的C粉占總重量的11.43%和&02粉占總重量的7. 71% ；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 1360°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，Zr)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，Zr)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 金屬氧化物按以下配比稱量，270目的Ti粉占總重量的69.86%、200目的Al粉占總 重量的14. 39%、1200目的C粉占總重量的11. 88%、ZrO2粉占總重量的3. 87% ；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 1360°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，Zr)3AlC2/Al203固溶體復合 材料。
7.—種(Ti，Zr)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，Zrx) 3A1C2，其中 χ 取 0. 0048 0. 2158，增強相為 A1203。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種(Ti，Zr)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(Tia 9591 , Zr0. 0409)3A1C2，增強相為 A1203。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種(Ti，Zr)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(Tia98c ，Zratll97)3A1C2，增強相為 Al2O30
全文摘要
一種(Ti，Zr)3AlC2/Al2O3固溶體復合材料及其制備方法，按Ti粉占總重量的41.33～72.79％，Al粉占總重量的14.01～18.45％，C粉占總重量的8.81～12.23％和ZrO2粉占總重量的0.97～31.41％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Zr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C22C32/00GK102051515SQ20101062390
公開日2011年5月11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, 王芬, 王莉麗, 韓娜 申請人:陜西科技大學