本發(fā)明涉及一種致密型鈦/氧化鋁復(fù)合材料及其制備方法，屬于稀土氧化物摻加陶瓷基金屬復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

氧化鋁陶瓷是發(fā)展比較早和應(yīng)用范圍廣泛的一類復(fù)相陶瓷材料，氧化鋁基陶瓷材料具有較高的硬度，耐高溫，彈性模量大，熱穩(wěn)定性好，價格低廉，資源豐富等優(yōu)點，但氧化鋁陶韌性較低，限制了其在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用。金屬鈦有質(zhì)輕、耐腐、高韌性和高延展性等優(yōu)點，一直以來在航天領(lǐng)域起到不可或缺的作用。

金屬鈦與氧化鋁陶瓷之間相近的低膨脹系數(shù)及較好的物理化學相容性，使得鈦和氧化鋁陶瓷可以實現(xiàn)很好的結(jié)合，在氧化鋁基陶瓷材料中加入鈦，金屬鈦作為粘結(jié)相，使得氧化鋁基陶瓷材料結(jié)合更為緊密，能夠明顯的提高其斷裂韌性，同時二者在性能上的互補可以克服各自性能的部分劣勢，獲得高強高韌的新型復(fù)合材料。

但在對鈦/氧化鋁復(fù)合材料的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在高溫下鈦難以燒結(jié)致密，鈦和氧化鋁會產(chǎn)生TiAl、Ti₃Al等具有室溫脆性的金屬間化合物，填充在鈦和氧化鋁晶界之間，使晶粒間界面結(jié)合力收到破壞，影響了鈦/氧化鋁復(fù)合材料的力學性能。

近些年來，關(guān)于摻加稀土元素來提高陶瓷性能和燒結(jié)效率的研究日趨成熟。如CeO₂，Pr₆O₁₁，Y₂O₃等的摻雜研究都取得顯著成效，但這些研究都是通過放電等離子燒結(jié)或熱壓燒結(jié)方法制備的，放電等離子燒結(jié)制備的產(chǎn)品成本較高，熱壓燒結(jié)則只能制備形狀簡單的樣品，樣品形狀受到了一定的限制，二者都不太適合用于工業(yè)化生產(chǎn)，而通過摻加易與鈦形成固溶體的金屬或其氧化物用于增強鈦/氧化鋁復(fù)合材料，通過無壓燒結(jié)就可以促進鈦的燒結(jié)，抑制了鈦鋁化合物的生成，使鈦鋁之間形成新的界面，提高其力學性能，材料強度得到了顯著提高，且能夠制備形狀較為復(fù)雜的產(chǎn)品，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種致密型鈦/氧化鋁復(fù)合材料及其制備方法。該復(fù)合材料在制備過程中摻加易與鈦形成固溶體的金屬或其氧化物，促進鈦的燒結(jié)，從而在無壓條件下獲得致密的鈦/氧化鋁復(fù)合材料，密度得到了進一步的提升，其力學性能和彎曲強度得到了很大的提高。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種致密型鈦/氧化鋁復(fù)合材料，所述復(fù)合材料燒結(jié)樣品的相對密度為94％-96.4％；燒結(jié)樣品的彎曲強度為300-410MPa；燒結(jié)樣品的硬度為10-15GPa。

上述的致密型鈦/氧化鋁復(fù)合材料的制備方法，它包括以下步驟：

a.將鈦粉、氧化鋁粉和易與鈦形成固溶體的金屬或其氧化物粉按一定體積比稱量，以酒精為分散介質(zhì)，氧化鋁球為球磨介質(zhì)，球磨4h，充分混合后干燥得到混合粉料；

b.取混合粉料使用直徑45mm的石墨模具，將混合粉料采用模壓成型和冷等靜壓處理，模壓成型壓力為：20-40MPa，保壓2分鐘；冷等靜壓壓力為：100-200MPa，保壓2分鐘；

c.將上述壓制成型的樣品置于真空燒結(jié)爐中以一定升溫速率、燒結(jié)溫度、保溫時間進行無壓燒結(jié)，得到最終致密型復(fù)合材料。

所述步驟a中易與鈦形成固溶體的金屬或其氧化物粉包括：鉭、鉿、鈮、鋯、鉬或其金屬氧化物，其占所用粉料總體積百分比比為：1-20％。

所述步驟c中燒結(jié)溫度為1200-1700℃，保溫1-6h，升溫速率為5-20℃/分鐘。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)越性在于：

(1)本發(fā)明制備的復(fù)合材料相較于無摻雜鈦/氧化鋁復(fù)合材料，密度得到了進一步的提升，給無壓燒結(jié)致密鈦/氧化鋁復(fù)合材料提供了一種較為優(yōu)良的燒結(jié)助劑選擇；

(2)本發(fā)明摻加易與鈦形成固溶體的金屬或其氧化物，能使鈦與氧化鋁產(chǎn)生一種新的界面，使其結(jié)合強度得到提升，同時抑制了鈦鋁化合物的生成，提高其力學性能，其彎曲強度得到了很大的提高；

(3)該發(fā)明的操作流程簡單，能制備出形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，對實際使用有著重要意義，可對其進行批量化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為實施例1中摻加氧化鉭的鈦氧化鋁復(fù)合材料的XRD圖譜；

圖2為實施例1中摻加氧化鉭的鈦氧化鋁復(fù)合材料的斷面SEM圖；

圖3為對比例1中鈦氧化鋁復(fù)合材料的XRD圖譜；

圖4為對比例1中鈦氧化鋁復(fù)合材料的的斷面SEM圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

實施例1

將鈦粉、氧化鋁粉、氧化鉭粉按37:56:7的體積比進行配制，以酒精為分散介質(zhì)，氧化鋁球為球磨介質(zhì)，球磨4h；然后進行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取混合粉料使用直徑45mm的石墨模具，將混合粉料采用模壓成型和冷等靜壓處理，模壓成型壓力為30MPa，保壓2分鐘，冷等靜壓壓力為120MPa，保壓2分鐘；將壓制成型的樣品置于真空燒結(jié)爐中在1550℃、無壓條件下燒結(jié)1.5h，升溫速率10℃/分鐘；制得樣品。經(jīng)測定，樣品的相對密度為96.4％，彎曲強度402.67MPa，硬度(Hv)為12.32GPa；此無壓燒結(jié)后的樣品的強度達到了與熱壓燒結(jié)的強度。X射線衍射分析顯示(圖像如圖1所示)，添加氧化鉭后，Ti與Al₂O₃之間形成了新的晶界，同時，通過掃描電鏡分析我們發(fā)現(xiàn)(圖像如圖2所示)，鈦與鋁兩者之間的結(jié)合更為緊密，進一步提升了復(fù)合材料的強度。

實施例2

將鈦粉、氧化鋁粉、氧化鉿粉按37:56:7的體積比進行配制，以酒精為分散介質(zhì)，氧化鋁球為球磨介質(zhì)，球磨4h；然后進行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取混合粉料使用直徑45mm的石墨模具，將混合粉料采用模壓成型和冷等靜壓處理，模壓成型壓力為30MPa，保壓2分鐘，冷等靜壓壓力為110MPa，保壓2分鐘；將壓制成型的樣品置于真空燒結(jié)爐中在1550℃、無壓條件下燒結(jié)1.5h，升溫速率10℃/分鐘；制得樣品。經(jīng)測定，樣品的相對密度為96.1％，彎曲強度405.32MPa，硬度(Hv)為12.38GPa。添加氧化鉿后，Ti與Al₂O₃之間形成了新的晶界，鈦與鋁兩者之間結(jié)合更緊密，復(fù)合材料的強度得到了很大的提升。

實施例3

將鈦粉、氧化鋁粉、氧化鈮粉按38:57:5的體積比進行配制，以酒精為分散介質(zhì)，氧化鋁球為球磨介質(zhì)，球磨4h；然后進行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取混合粉料使用直徑45mm的石墨模具，將混合粉料采用模壓成型和冷等靜壓處理，模壓成型壓力為30MPa，保壓2分鐘，冷等靜壓壓力為120MPa，保壓2分鐘；將壓制成型的樣品置于真空燒結(jié)爐中在1450℃、無壓條件下燒結(jié)1.5h，升溫速率10℃/分鐘；制得樣品。經(jīng)測定，樣品的相對密度為95.32％，彎曲強度393.28MPa，硬度(Hv)為11.18GPa；添加氧化鈮后，可以發(fā)現(xiàn)Ti與Al₂O₃之間形成了新的界面，兩者之間的結(jié)合更為緊密，復(fù)合材料的強度得到進一步的提高。

實施例4

將鈦粉、氧化鋁粉、氧化鋯粉按38:57:5的體積比進行配制，以酒精為分散介質(zhì)，氧化鋁球為球磨介質(zhì)，球磨3h；然后進行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取混合粉料使用直徑45mm的石墨模具，將混合粉料采用模壓成型和冷等靜壓處理，模壓成型壓力為30MPa，保壓2分鐘，冷等靜壓壓力為110MPa，保壓2分鐘；將壓制成型的樣品置于真空燒結(jié)爐中，在1450℃、無壓條件下燒結(jié)1.5h，升溫速率10℃/分鐘；制得樣品。經(jīng)測定，樣品的相對密度為95.01％，彎曲強度388.97MPa，硬度(Hv)為10.98GPa；添加氧化鋯后，可以發(fā)現(xiàn)Ti與Al₂O₃之間形成了新的界面，兩者之間的結(jié)合更緊密，提高了復(fù)合材料的強度。

實施例5

將鈦粉、氧化鋁粉、氧化鉬粉按39:58:3的體積比進行配制，以酒精為分散介質(zhì)，氧化鋁球為球磨介質(zhì)，球磨3h；然后進行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取混合粉料使用直徑45mm的石墨模具，將混合粉料采用模壓成型和冷等靜壓處理，模壓成型壓力為30MPa，保壓2分鐘，冷等靜壓壓力為110MPa，保壓2分鐘；將壓制成型的樣品置于真空燒結(jié)爐中在1450℃、無壓條件下燒結(jié)1.5h，升溫速率10℃/分鐘；制得樣品。經(jīng)測定，樣品的相對密度為94.03％，彎曲強度376.81MPa，硬度(Hv)為10.03GPa；添加氧化鉬后，發(fā)現(xiàn)Ti與Al₂O₃之間形成了新的界面，兩者結(jié)合更緊密，復(fù)合材料的強度得到提高。

對比例1

將鈦粉、氧化鋁粉按40:60的體積比進行配制，以酒精為分散介質(zhì)，氧化鋁球為球磨介質(zhì)，球磨4h；然后進行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取30g混合粉料使用直徑45mm的石墨模具，將混合粉料采用模壓成型和冷等靜壓處理，模壓成型壓力為30MPa，保壓2分鐘，冷等靜壓壓力為120MPa，保壓2分鐘；將壓制成型的樣品置于真空燒結(jié)爐中在1550℃、無壓條件下燒結(jié)1.5h，升溫速率10℃/分鐘；制得樣品。經(jīng)測定，樣品的相對密度為89.07％，彎曲強度為258.36MPa，硬度(Hv)為7.42GPa。X射線衍射分析表明(圖像如圖3所示)，樣品中有大量的TiAl和Ti₃Al金屬間化合物的生成，這些物質(zhì)具有較強的室溫脆性，將會大大降低復(fù)合材料整體的強度和韌性。同時，通過掃描電鏡分析我們發(fā)現(xiàn)鈦與鋁的晶界比較明顯(圖像如圖4所示)，兩者之間結(jié)合力較弱。

對比例2

將鈦粉、氧化鋁粉按40:60的體積比進行配制，以酒精為分散介質(zhì)，氧化鋁球為球磨介質(zhì)，球磨4h；然后進行干燥；充分混合后干燥得到混合粉料；取混合粉料使用直徑45mm的石墨模具，將混合粉料采用模壓成型和冷等靜壓處理，模壓成型壓力為30MPa，保壓2分鐘，冷等靜壓壓力為120MPa，保壓2分鐘；將壓制成型的樣品置于真空燒結(jié)爐中在1450℃、無壓條件下燒結(jié)1.5h，升溫速率10℃/分鐘；制得樣品。經(jīng)測定，樣品的相對密度為87.23％，彎曲強度為234.31MPa，硬度(Hv)為6.75GPa。通過掃描電鏡分析樣品中同樣有大量的TiAl和Ti₃Al金屬間化合物的生成，這些物質(zhì)具有較強的室溫脆性，使復(fù)合材料整體的強度和韌性大幅度降低。同時，通過掃描電鏡分析我們發(fā)現(xiàn)鈦與鋁的晶界比較明顯，二者結(jié)合力比較弱。