/Ni基復合材料及其無壓浸滲制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料及其無壓浸滲制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鎳基高溫合金在整個高溫合金領(lǐng)域內(nèi)占有特殊重要的地位，它廣泛地用于制造航空噴氣發(fā)動機、各種工業(yè)燃氣輪機的最熱端部件，如渦輪部分的工作葉片、導向葉片、渦輪盤和燃燒室等。在先進的航空發(fā)動機中，高溫合金的用量占40-60%，因此這種材料被喻為“燃氣渦輪的心臟”。近年來由于渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫強度和工作溫度。目前為了改進Ni基復合材料在高溫場所的蠕變性能，抗熱疲勞性能，一些傳統(tǒng)的陶瓷顆粒像A1203、S12, TiC、WC、SiC、1182等顆粒用于制備鎳基復合材料，此外，為了增強鎳基合金的摩擦性能，石墨、1必2等陶瓷顆粒添加到基體中以增強其潤滑性。但是這些陶瓷的加入容易破壞Ni基體的可加工性，導電性，降低材料的韌性等。
[0003]Ti3AlC2是一種新型的三元碳化物陶瓷，由M.A.Pietzka和J.C.Schuster首次發(fā)現(xiàn)并在《J.Phase Equilib》1994年第15期392頁公開報道。鈦鋁碳屬于六方晶系，晶粒為層狀結(jié)構(gòu)、外形呈板狀，理論密度為4.25g/cm3。其多晶塊體材料的維氏硬度為3.5GPa、楊氏模量為297GPa、室溫壓縮強度為540?580MPa、室溫彎曲強度為360?390MPa、室溫電阻率為0.35 μ Ω.πι，經(jīng)1100°C淬火后強度不降低，可機加工(參考文獻:N.V.Tzenov和M.ff.Barsoum, J.Am.Ceram.Soc.，2000，83 [4]:825)。此外，其多晶塊體材料具有良好的摩擦學性能:在0.SMPa壓強和60m/s滑動速度下，對低碳鋼的干摩擦系數(shù)約為0.1，磨損率約為
2.5X l(T6mm3/Nm (參考文獻:H-X Zhai，et al, Mater.Sc1.Forum, 2005 [475-479]: 1251)。因此，將其作為增強相來增強Ni基復合材料，可以具有高強度、高硬度和耐磨性等。但是，目前為止還沒有利用這種新型陶瓷來增強Ni基復合材料的報道。
[0004]雙連續(xù)相金屬陶瓷材料，是20世紀80年代發(fā)展起來的陶瓷/金屬復合材料的一種結(jié)構(gòu)形式，即陶瓷相與金屬相均為三維空間連續(xù)，在空間呈網(wǎng)絡(luò)交叉結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使其具有顆?；蚶w維增強復合材料沒有的特點:相對于纖維增強材料，其在整體結(jié)構(gòu)上具有各向同性的特點、相對于顆粒或晶須增強材料，它具有相互連續(xù)的特點。雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料可以使Ti3AlC2陶瓷和Ni基合金均為連續(xù)分布，陶瓷骨架因為金屬相所具有的韌性得到增韌，金屬相由于陶瓷骨架的剛性承載作用而得到增強，兩者相互依托，相互補強，互為支撐骨架，與傳統(tǒng)的顆粒增強、纖維增強和晶須增強復合材料相比，具有更為獨特的力學性能、抗摩擦磨損性能、減振性能和熱學性能，而且具備性能的各向同性，同時由于Ti3AlC2的加入，能顯著降低復合材料的密度，因此可以減小實際應用過程中的零部件重量，有助于節(jié)約能源消耗，提高使用可靠性。在航空航天、交通運輸、機械制造等工業(yè)領(lǐng)域展示了廣泛的應用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種以多孔Ti3AlC2預制體(氣孔率為20?80% )和Ni基合金粉為原料制成的雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料及其無壓浸滲制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明的雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料，其成分如下:
[0008]Ti3AlC2的體積含量為20?80vol %，其余為Ni基合金。
[0009]本發(fā)明的雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料，其顯微結(jié)構(gòu)如下:
[0010]陶瓷相11#1(:2與金屬相Ni基合金相各自呈三維空間連續(xù)分布，在空間呈網(wǎng)絡(luò)交叉結(jié)構(gòu)，二者界面結(jié)合牢固。
[0011]本發(fā)明的一種雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料無壓浸滲制備方法，該方法包括以下各步驟:
[0012]步驟1，在石墨坩禍內(nèi)置入石墨墊片，裝入一定量的Ni基合金粉，將模具裝入真空燒結(jié)爐內(nèi)，在氬氣保護下，按10?30°C /min的升溫速率，將爐溫升至1000?1450°C，保溫10?20min，待爐溫降低到80°C后，開爐取出Ni基合金錠。
[0013]步驟2，將多孔11#1(:2預制體(孔隙率為20?80%)置于石墨坩禍內(nèi)，在其上方放入預先燒制的Ni基合金錠。
[0014]步驟3，將石墨坩禍放入高溫爐中，在真空下，以10?30°C /min升溫至1150?1500°C。在保溫開始10?30min時，停止抽真空，同時往爐內(nèi)通入氬氣，氣壓0.5?IBar，保溫時間30?120min，以10?20°C /min冷卻到900°C，之后隨爐冷卻，即得到雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料。
[0015]本發(fā)明所具有的有益效果:
[0016]本發(fā)明的雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料，其最高屈服強度可以達到1801MPa，遠高于一般的陶瓷增強Ni基合金的屈服強度。其壓縮強度、最大變形率和維氏硬度依初始11#1(:2預制體的氣孔率不同而不同。本發(fā)明的雙連續(xù)相Ti 3A1C2/Ni基復合材料，其屈服強度最高可達1801MPa，壓縮強度最大可達2456MPa，最大伸長率可達21.5%，維氏硬度最高為7.74GPa ;對于本發(fā)明的雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料的應用，可根據(jù)實際的使用要求選取適當氣孔率的11#1(:2預制體和Ni進行浸滲。本發(fā)明的雙連續(xù)相Ti 3A1C2/Ni基復合材料的無壓浸滲制備方法，其主要的好處在于工藝簡單，易于操作，適合制造需要高強度、高耐磨、耐高溫的零件。
[0017]本發(fā)明的雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料可廣泛用于交通運輸、航天、軍工、機械制造等領(lǐng)域，例如用于制造高速鐵路的制動盤、機械行業(yè)中的耐磨軸承、渦輪葉片等。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料的顯微結(jié)構(gòu)照片。深色部分為Ti3AlC2顆粒，淺色部分為Ni基合金。
[0019]圖2是本發(fā)明的雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料壓縮斷口的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
【具體實施方式】
[0020]實施方式一
[0021]在石墨坩禍內(nèi)置入石墨墊片，裝入一定量的Ni基合金粉，將模具裝入真空燒結(jié)爐內(nèi)，在氬氣保護下，按30°C /min的升溫速率，將爐溫升至1450°C，保溫lOmin，待爐溫降低到80°C后，開爐取出Ni基合金錠。將氣孔率為20%的多孔Ti3AlC2預制體置于石墨坩禍內(nèi)，在其上方放入預先燒制的Ni基合金錠。將石墨坩禍放入高溫爐中，在真空下，以10°C /min升溫至1500°C。在保溫開始30min時，停止抽真空，同時往爐內(nèi)通入氬氣，氣壓0.5Bar，保溫時間60min，以15°C /min冷卻到900°C，之后隨爐冷卻，即得到雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料。
[0022]將上述的雙連續(xù)相Ti3AlC2/Ni基復合材料，加工成直徑為6mm，長度為1mm的圓柱體，在萬能試驗機上以0.25mm/min的速率進行加載；測得其屈服強度為8