一種無壓燒結(jié)-加壓致密化制備鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鈦鋁碳(Ti3AlC2)顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料的無壓燒結(jié)-加壓致密化制備方法，即“燒結(jié)-致密化兩步法”。本方法將鈦鋁碳和鋅鋁合金的混合粉末在較高的溫度燒結(jié)后，再在較低的溫度進行加壓致密化。在較高的溫度進行燒結(jié)可明顯改善鈦鋁碳增強相與鋅鋁合金基體之間的界面結(jié)合力，而在較低的溫度進行加壓致密化可避免加壓導(dǎo)致鋅鋁合金液的擠出。采用本發(fā)明的方法所制備的鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料組織均勻、致密，缺陷少，基體與增強相之間結(jié)合緊密，具有良好的物理性能和力學(xué)性能。
【專利說明】一種無壓燒結(jié)-加壓致密化制備鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復(fù) 合材料的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料 的制備方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種用"燒結(jié)-致密化兩步法"來制備鈦鋁碳顆粒增 強鋅鋁基復(fù)合材料的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鋅鋁合金（ZA8、ZA12、ZA22、ZA27等合金系列）具有良好的力學(xué)性能和耐磨性能， 成本低廉，制作方便，作為一種耐磨密封材料應(yīng)用廣泛，但鋅鋁合金工作溫度低、抗蠕變性 差等缺點也在很大程度上限制了它的應(yīng)用范圍。為解決這些問題，進一步擴大其應(yīng)用領(lǐng)域， 采用陶瓷顆粒、晶須和纖維等增強相對鋅鋁合金進行復(fù)合制成鋅鋁基復(fù)合材料正成為研究 和開發(fā)的熱點。與鋅鋁合金相比，鋅鋁基復(fù)合材料的耐溫性能和耐磨性能都有了明顯的改 善，可替代青銅、黃銅、鋁合金等材料，用于制造低速、中溫條件使用的軸承、軸套、軸瓦等耐 磨密封件，作為一種性能優(yōu)良的耐磨減摩材料具有很高的經(jīng)濟性。
[0003] 目前開發(fā)的鋅鋁基復(fù)合材料以加入顆粒增強相為主，包括碳化硅、氧化鋁、碳化 鈦、硅及石墨顆粒等，而制備這些復(fù)合材料的主要方法有：熔體攪拌鑄造法、噴射成型法、粉 末熱鍛法、疊層復(fù)合法和原位生成復(fù)合法等。例如發(fā)明專利"原位顆粒增強鋅基復(fù)合材料 的制備方法"（申請?zhí)?00710020458. 3)將定量的鋁基復(fù)合材料漿料加入到鋅或鋅鋁合 金熔體中，并通過緩慢攪拌，制備出Al203、TiB 2+Al3Ti等陶瓷顆粒原位增強的鋅鋁基復(fù)合材 料。發(fā)明專利"原位反應(yīng)噴射成形制備金屬基復(fù)合材料方法"（申請?zhí)?9100510. 4)采用熔 鑄-原位反應(yīng)霧化噴射成形法制備了鋁基、銅基和鋅基復(fù)合材料。發(fā)明專利"一種陶瓷粉 末增強鋅鋁合金基復(fù)合材料的制備方法"（申請?zhí)?01110341289. X)采用粉末熱鍛法制備 了碳化硅、氧化鋁、氧化鋯等陶瓷顆粒增強的鋅鋁基復(fù)合材料。發(fā)明專利"一種硅顆粒增強 鋅基復(fù)合材料的制備方法"（申請?zhí)?00810155784. X)采用熔體澆注法制備了硅顆粒增強 的鋅基復(fù)合材料。發(fā)明專利"鈦酸鉀晶須增強鋅鋁合金復(fù)合材料及其制造方法"（申請?zhí)?98113701.6)采用熔體擠壓復(fù)合法制備了鈦酸鉀晶須增強的鋅鋁基復(fù)合材料。但已制備出 的各種鋅鋁基復(fù)合材料普遍存在著一些難以克服的問題，如陶瓷粉末與鋅鋁合金熔液潤濕 性差，粉末分布不均，出現(xiàn)團聚等缺陷，顯著影響了鋅鋁基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用。為克服這 些難題，尋找更為適合的顆粒增強相及新的制備方法無疑是一條行之有效的途徑。
[0004] 鈦鋁碳（Ti3AlC2)是一種三元層狀碳化物陶瓷，為M n+1AXn化合物族的一種，屬于 六方晶系。鈦鋁碳具有類似金屬的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，在高溫下具有一定塑性，能用高速切削 刀具進行機械加工；同時又具有陶瓷的高彈性模量、低密度、高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性 能；而且具有自潤滑性和優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。與目前鋅鋁基復(fù)合材料中常用的顆粒增強相 相比，鈦鋁碳作為增強相具有許多獨特的優(yōu)勢。首先由其層狀結(jié)構(gòu)所致的良好自潤滑性有 助于提高復(fù)合材料耐磨性能，這對于以耐磨密封件為主要應(yīng)用方向的鋅鋁基復(fù)合材料來 說十分重要；其次鈦鋁碳的熱膨脹系數(shù)大（?10ΧΚΓ 6 Γ1)，介于普通陶瓷和金屬之間，使 其與鋅鋁合金之間的熱失配小于其它復(fù)合體系，材料中的熱應(yīng)力??；再次，鈦鋁碳晶格中結(jié) 合能較低的A1原子在高溫下可部分脫出，與同樣含有A1的鋅鋁合金基體能形成潤濕性良 好的界面，因此鈦鋁碳是一種十分理想的鋅鋁基復(fù)合材料增強相。
[0005] 申請人:在前期研究工作中，分別采用無壓燒結(jié)工藝和熱壓燒結(jié)工藝制備出了性能 良好的鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料，并相應(yīng)提交了兩項專利申請："一種鈦鋁碳顆粒增 強鋅鋁基復(fù)合材料及其無壓燒結(jié)制備方法"（申請?zhí)?01310520069. 2)和"一種鈦鋁碳顆粒 增強鋅鋁基復(fù)合材料及其熱壓燒結(jié)制備方法"（申請?zhí)?01310520702. 8)，目前這兩項申請 都處于公開階段。最近， 申請人:采用"燒結(jié)-致密化兩步法"制備新工藝得到了性能更為優(yōu) 異的鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料，故提出本項專利申請。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料制備方 法，以便制備出性能更為優(yōu)異的顆粒增強鋅基復(fù)合材料，擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種制備鈦鋁碳顆粒增強鋅 鋁基復(fù)合材料的"燒結(jié)-致密化兩步法"制備方法，該方法包括如下步驟：
[0008] 1)稱量鈦鋁碳和鋅鋁合金粉，將它們混合配料；
[0009] 2)將步驟1)中的混合配料機械合金化、過篩、得到均勻細化的混合粉末；
[0010] 3)將步驟2)的混合粉末放入模具中，進行預(yù)壓成型；
[0011] 4)將步驟3)預(yù)壓成型的坯體及模具放入熱壓燒結(jié)爐中進行無壓燒結(jié)，保溫一段 時間后，降溫到某一溫度后進行加壓致密化，保溫保壓一段時間后冷卻出爐，即可制得鈦鋁 碳顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料。
[0012] 優(yōu)選地，步驟2)所述機械合金化采用行星式球磨，機械合金化的條件為：球料比 5:1?15:1，轉(zhuǎn)速200?500r/min，球磨時間2?12h。
[0013] 優(yōu)選地，步驟3)和步驟4)所述模具為石墨模具，所述預(yù)壓成型壓強為10? 20MPa。
[0014] 優(yōu)選地，步驟4)所述無壓燒結(jié)的工藝條件為：在氬氣或氮氣保護下以10?40°C / min的升溫速率升至840?900°C，保溫0. 5?3小時后降溫至加壓致密化所需溫度。
[0015] 優(yōu)選地，步驟4)所述加壓致密化的工藝條件為：溫度350?500°C，壓強20? 30MPa，保壓時間0. 5?3小時。
[0016] 本發(fā)明所采用的"燒結(jié)-致密化兩步法"制備工藝可以使鋅鋁合金基體與鈦鋁碳 增強相在高溫下發(fā)生輕微反應(yīng)，明顯改善兩者之間的界面結(jié)合。同時在較低的溫度下進行 加壓致密化可防止鋅鋁合金擠出，從而得到致密的復(fù)合材料塊體。與無壓燒結(jié)工藝相比，本 工藝所制備的復(fù)合材料致密度高，內(nèi)部缺陷少；而與熱壓燒結(jié)工藝相比，本工藝所制備的復(fù) 合材料基體與增強相之間界面結(jié)合更好。
[0017] 因此，本發(fā)明的有益效果是：采用本發(fā)明的方法所制備的鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基 復(fù)合材料，顆粒增強相與基體之間結(jié)合緊密，材料組織均勻，缺陷少，力學(xué)性能高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是實施例1采用兩步法制備工藝所制備的鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料的 表面微觀形貌圖；
[0019] 圖2是實施例1采用兩步法制備工藝所制備的鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料的 斷口微觀形貌圖。

【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進一步加以說明。
[0021] 實施例1
[0022] 鈦鋁碳粉：本實施例中所用鈦鋁碳粉純度為97%，平均粒徑4. 21 μ m。
[0023] 鋅鋁合金粉：本實施例中所用鋅鋁合金為市售ZA27合金粉，粉末粒度為300目，其 質(zhì)量百分比成分如下：Zn 72. 31 %、A1 27.47%、Fe 0.09%、Si 0.10%、其它 0.03%。
[0024] 將ZA27合金粉與鈦鋁碳粉按照7:3的體積比配料，稱取ZA27粉29. 34g，鈦鋁碳 粉10. 66g，放入行星球磨機中，按球料比為10:1，轉(zhuǎn)速300r/min，球磨混合3小時，冷卻后 過80目篩；將混合粉放入石墨模具中，在20MPa壓強下預(yù)壓成型，再將成型后的坯體連同 模具一起放入熱壓燒結(jié)爐中，在氮氣保護下先進行無壓燒結(jié)，以30°C /min的升溫速率升 至850°C，保溫2小時，然后降溫至500°C，緩慢加壓至30MPa，保溫保壓1小時后冷卻，制得 鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料。
[0025] 所制備3〇V〇l%Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的力學(xué)性能為：彎曲強度510MPa，抗拉強度 300MPa，維氏硬度 108HV。
[0026] 實施例2
[0027] 鈦鋁碳粉：本實施例中所用鈦鋁碳粉純度為95%，平均粒徑7. 39 μ m。
[0028] 鋅鋁合金粉：本實施例中所用鋅鋁合金為市售ZA27合金粉，粉末粒度為300目，其 質(zhì)量百分比成分如下：Zn 72. 31 %、A1 27.47%、Fe 0.09%、Si 0.10%、其它 0.03%。
[0029] 將ZA27合金粉與鈦鋁碳粉按照8:2的體積比配料，稱取ZA27粉33. 0g，鈦鋁碳粉 7. 0g，放入行星球磨機中，按球料比為15: 1，轉(zhuǎn)速400r/min，球磨混合2小時，冷卻后過80 目篩；將混合粉放入石墨模具中，在lOMPa壓強下預(yù)壓成型，再將成型后的坯體連同模具一 起放入熱壓燒結(jié)爐中，在氬氣保護下先進行無壓燒結(jié)，以20°C /min的升溫速率升至870°C， 保溫1小時，然后降溫至430°C，緩慢加壓至25MPa，保溫保壓2. 5小時后冷卻，制得鈦鋁碳 顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料。
[0030] 所制備20vol% Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的力學(xué)性能為：彎曲強度550MPa，抗拉強 度323MPa，維氏硬度117HV。
[0031] 實施例3
[0032] 鈦鋁碳粉：本實施例中所用鈦鋁碳粉純度為92%，平均粒徑12. 52μπι。
[0033] 鋅鋁合金粉：本實施例中所用鋅鋁合金為市售ΖΑ27合金粉，粉末粒度為300目，其 質(zhì)量百分比成分如下：Ζη 72. 31 %、Α1 27.47%、Fe 0.09%、Si 0.10%、其它 0.03%。
[0034] 將ZA27合金粉與鈦鋁碳粉按照7:3的體積比配料，稱取ZA27粉29. 34g，鈦鋁碳粉 10. 66g，放入行星球磨機中，按球料比為10:1，轉(zhuǎn)速250r/min，球磨混合6小時，冷卻后過80 目篩；將混合粉放入石墨模具中，在15MPa壓強下預(yù)壓成型，再將成型后的坯體連同模具一 起放入熱壓燒結(jié)爐中，在氮氣保護下先進行無壓燒結(jié)，以25°C /min的升溫速率升至890°C， 保溫1小時，然后降溫至480°C，緩慢加壓至30MPa，保溫保壓1. 5小時后冷卻，制得鈦鋁碳 顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料。
[0035] 所制備3〇V〇l%Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的力學(xué)性能為：彎曲強度570MPa，抗拉強度 335MPa，維氏硬度 120HV。
[0036] 實施例4
[0037] 鈦鋁碳粉：本實施例中所用鈦鋁碳粉純度為95%，平均粒徑7. 39 μ m。
[0038] 鋅鋁合金粉：本實施例中所用鋅鋁合金為市售ZA8合金粉，粉末粒度為200目，其 質(zhì)量百分比成分如下：Zn 9L73%、A1 7.95%、Fe0.19%、Si 0.10%、其它 0.03%。
[0039] 將ZA8合金粉與鈦鋁碳粉按照6:4的體積比配料，稱取ZA8粉27. 59g，鈦鋁碳粉 12. 41g，放入行星球磨機中，按球料比為10:1，轉(zhuǎn)速400r/min，球磨混合3小時，冷卻后過 100目篩；將混合粉放入石墨模具中，在20MPa壓強下預(yù)壓成型，再將成型后的坯體連同模 具一起放入熱壓燒結(jié)爐中，在氮氣保護下先進行無壓燒結(jié)，以35°C /min的升溫速率升至 870°C，保溫1. 5小時，然后降溫至450°C，緩慢加壓至28MPa，保溫保壓2小時后冷卻，制得 鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料。
[0040] 所制備4〇V〇1% Ti3AlC2/ZA8復(fù)合材料的力學(xué)性能為：彎曲強度464MPa，抗拉強度 258MPa，維氏硬度 105HV。
[0041] 圖1是實施例1采用兩步法制備工藝所制備的30vol% Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的 表面微觀形貌圖。圖中，灰色的塊體為鈦鋁碳顆粒增強相，條紋狀部分為Zn-Al共析組織， 即鋅鋁合金基體，可見鈦鋁碳增強顆粒均勻分布在鋅鋁基體中，兩者之間結(jié)合緊密，材料中 缺陷很少。
[0042] 圖2是實施例1采用兩步法制備工藝所制備的30vol % Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的 斷口微觀形貌圖。由圖可見，細小的鈦鋁碳顆粒被鋅鋁合金基體緊緊包裹著，斷裂并未使增 強顆粒脫落，說明兩者間界面結(jié)合緊密。
【權(quán)利要求】
1. 一種無壓燒結(jié)-加壓致密化（即：燒結(jié)-致密化兩步法）制備鈦鋁碳（Ti3AlC 2)顆 粒增強鋅鋁基復(fù)合材料的方法，其特征在于：將鈦鋁碳和鋅鋁合金的混合粉末在較高的溫 度燒結(jié)后，再在較低的溫度進行加壓致密化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 所述復(fù)合材料包含如下體積百分數(shù)的原料：鈦鋁碳5?45%，余量為鋅鋁合金；所述鈦鋁碳 為粒度在〇. 5?20 μ m的顆粒，其純度大于90% ;所述鋅鋁合金為粒度100?400目的粉 末，其組分按重量百分比組成為：A1 8?35%,余量為Zn和總量不超過0. 5%的其它元素。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鋁碳顆粒增強鋅鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 包括如下步驟： 1) 稱量鈦鋁碳和鋅鋁合金粉，將它們混合配料； 2) 將步驟1)中的混合配料機械合金化、過篩、得到均勻細化的混合粉末； 3) 將步驟2)的混合粉末放入石墨模具中，以10?20MPa的壓強預(yù)壓成型； 4) 將步驟3)預(yù)壓成型的坯體及模具放入熱壓燒結(jié)爐中，在高溫下進行無壓燒結(jié)，保溫 一定時間后，降溫到較低溫度并施加機械壓力，經(jīng)保溫保壓后冷卻出爐，得到鈦鋁碳顆粒增 強鋅鋁基復(fù)合材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燒結(jié)-致密化兩步法制備方法，其特征在于：步驟2)所述機 械合金化采用行星式球磨，機械合金化的條件為：球料比5:1?15:1，轉(zhuǎn)速200?500 r/ min，球磨時間2?12小時，冷卻后過80目篩得到混合粉體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燒結(jié)-致密化兩步法制備方法，其特征在于：步驟4)所述無 壓燒結(jié)的工藝條件為：燒結(jié)溫度840?900°C，Ar或N 2氣氛保護下保溫0. 5?3小時。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燒結(jié)-致密化兩步法制備方法，其特征在于：步驟4)所述施 加機械壓力的工藝條件為：溫度350?500°C，壓強20?30MPa，保壓時間0. 5?3小時。
【文檔編號】C22C32/00GK104099488SQ201410355654
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】周洋, 李海燕, 陳晨, 李世波, 李翠偉, 黃振鶯, 翟洪祥 申請人:北京交通大學(xué)