三维网状结构TISUB2/SUBALC增强的TIAL基复合材料及其制备方法.pdf

三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料及其制备方法，本发明涉及一种TiAl基复合材料及其制备方法。它为了解决现有TiAl基复合材料室温塑性差及强度低的问题。三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由45～50at.％的Ti粉、40～49at.％的Al粉和1～15at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及为Ti粉、Al粉和元素粉末总重量0.05～20％的碳纳米管制成，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比。TiAl基复合材料的制备方法通过以下步骤实现：(一)球磨(二)添加炭纳米管后继续混粉(三)等离子烧结，得到三维网状结构Ti2AlC增强的TiAl基复合材料。

1、  三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料，其特征在于三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由45～50at.％的Ti粉、40～49at.％的Al粉和1～15at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量0.05～20％的碳纳米管制成，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比。

2、  根据权利要求1所述的三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料，其特征在于三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由46～49at.％的Ti粉、42～48at.％的Al粉和3～12at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量5～15％的碳纳米管制成。

3、  根据权利要求1所述的三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料，其特征在于三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由48at.％的Ti粉、46at.％的Al粉和6at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量10％的碳纳米管制成。

4、  TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法通过以下步骤实现：(一)按照原子比将45～50at.％的Ti粉、40～49at.％的Al粉和1～15at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种元素粉末混合后放入球磨机中，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比，在向球磨罐中充入纯度为99.99％的氩气、球料重量比为4～50∶1、球磨机转速为100～1000转/分钟的条件下对混合粉末球磨2～100小时，得到复合粉末；(二)在复合粉末中添加为粉末重量0.05～20％的炭纳米管，然后在球磨机中以5～100转/分钟的速度进行低速混粉0.5～20小时，得到分散均匀的含炭纳米管的复合粉末；(三)将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以650℃～1550℃、压力范围为5～100KN及真空度为0～10Pa的条件烧结2分钟～2小时，然后向烧结炉中通入纯度为99.99％的氮气并冷却至室温，得到三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料。

5、  根据权利要求4所述的三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤(一)中按照原子比将46～49at.％的Ti粉、42～48at.％的Al粉和3～12at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种混合后放入球磨机中。

6、  根据权利要求4所述的三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤(一)球料重量比为10～45∶1、球磨机转速为200～800转/分钟。

7、  根据权利要求4所述的三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤(一)中对混合粉末球磨20～80小时。

8、  根据权利要求4所述的TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤(二)中在复合粉末中添加占粉末重量5～15％的炭纳米管。

9、  根据权利要求4所述的三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤(三)中将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以800℃～1200℃、压力范围为20～80KN及真空度为2～8Pa的条件烧结20分钟～1小时。

10、  根据权利要求4所述的三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤(三)中将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以1000℃、压力范围为65KN及真空度为6Pa的条件烧结50分钟。

三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种TiAl基复合材料及其制备方法。
背景技术
TiAl金属在航天、航空以及汽车制造等领域广泛应用，但是由于TiAl金属室温塑性差和热加工能力差，使该材料在工程中得不到广泛的使用。国内外科学家在TiAl金属化合物的组织、塑性和变形方面做了大量的研究。研究表明，TiAl基复合材料具有高的比弹性模量、高的比强度、高抗蠕变能力和高强度、高刚度的自生增强相，室温塑性和热加工性能也能得到增强；但原有TiAl基复合材料存在室温塑性差及强度低的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有TiAl基复合材料力学性能差、室温塑性差及强度低的问题。三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由45～50at.％的Ti粉、40～49at.％的Al粉和1～15at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量0.05～20％的碳纳米管制成，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比。三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法通过以下步骤实现：(一)按照原子比将45～50at.％的Ti粉、40～49at.％的Al粉和1～15at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种元素粉末混合后放入球磨机中，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比，在向球磨罐中充入纯度为99.99％的氩气、球料重量比为4～50∶1、球磨机转速为100～1000转/分钟的条件下对混合粉末球磨2～100小时，得到复合粉末；(二)在复合粉末中添加占粉末重量0.05～20％的炭纳米管，然后在球磨机中以5～100转/分钟的速度进行低速混粉0.5～20小时，得到分散均匀的含炭纳米管的复合粉末；(三)将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以650℃～1550℃、压力范围为5～100KN及真空度为0～10Pa的条件烧结2分钟～2小时，然后向烧结炉中通入纯度为99.99％的氮气并冷却至室温，得到三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料。本发明制备的三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料组织细小均匀，力学性能好，室温塑性为1.5～4％，屈服强度为350～550Mpa，抗拉强度为550～800Mpa。
附图说明
图1是具体实施方式二十三制备的三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料的1000倍扫描电子显微镜照片，图2是具体实施方式二十四制备的三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料的1000倍扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由45～50at.％的Ti粉、40～49at.％的Al粉和1～15at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量0.05～20％的碳纳米管制成，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由46～49at.％的Ti粉、42～48at.％的Al粉和3～12at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量5～15％的碳纳米管制成，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由48at.％的Ti粉、46at.％的Al粉和6at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量10％的碳纳米管制成，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由45at.％的Ti粉、40at.％的Al粉和1 5at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量2％的碳纳米管制成，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料按原子比由50at.％的Ti粉、40at.％的Al粉和1at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种以及占Ti粉、Al粉和元素粉末总重量4％的碳纳米管制成，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比。
具体实施方式六：本实施方式中三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料的制备方法，其特征在该方法通过以下步骤实现：(一)按照原子比将45～50at.％的Ti粉、40～49at.％的Al粉和1～15at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种元素粉末混合后放入球磨机中，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比，在向球磨罐中充入纯度为99.99％的氩气、球料重量比为4～50∶1、球磨机转速为100～1000转/分钟的条件下对混合粉末球磨2～100小时，得到复合粉末；(二)在复合粉末中添加占粉末重量0.05～20％的炭纳米管，然后在球磨机中以5～100转/分钟的速度进行低速混粉0.5～20小时，得到分散均匀的含炭纳米管的复合粉末；(三)将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以650℃～1550℃、压力范围为5～100KN及真空度为0～10Pa的条件烧结2分钟～2小时，然后向烧结炉中通入纯度为99.99％的氮气并冷却至室温，得到三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料。
本实施方式制备的TiAl基复合材料组织细小均匀，力学性能好，室温塑性为1.5～4％、屈服强度为350～550Mpa、抗拉强度为550～800Mpa。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中按照原子比将46～49at.％的Ti粉、42～48at.％的Al粉和3～12at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种混合后放入球磨机中，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中按照原子比将47～48at.％的Ti粉、43～46at.％的Al粉和6～10at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种混合后放入球磨机中，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中按照原子比将48at.％的Ti粉、45at.％的Al粉和7at.％的Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si、B元素粉末中的一种或几种混合后放入球磨机中，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Ta、Mo、Zr、Si或B元素粉末为2种或2种以上时，元素粉末之间为任意原子比。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中球料重量比为10～45∶1、球磨机转速为200～800转/分钟。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中球料重量比为15～40∶1、球磨机转速为300～700转/分钟。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中球料重量比为35∶1、球磨机转速为650转/分钟。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中对混合粉末球磨20～80小时。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中对混合粉末球磨35～60小时。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(一)中对混合粉末球磨50小时。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(二)中在复合粉末中添加占粉末重量5～15％的炭纳米管。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(二)中在复合粉末中添加占粉末重量8～12％的炭纳米管。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(二)中在复合粉末中添加占粉末重量3％的炭纳米管。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(二)中在复合粉末中添加占粉末重量1％的炭纳米管。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(二)中球磨机中以50转/分钟的速度进行低速混粉10小时。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(三)中将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以800℃～1200℃、压力范围为20～80KN及真空度为2～8Pa的条件烧结20分钟～1小时。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤(三)中将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以1000℃、压力范围为65KN及真空度为6Pa的条件烧结50分钟。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式二十三：本实施方式通过以下步骤实现：(一)按照原子比将50at.％的Ti粉、48at.％的Al粉和2at.％的Cr元素粉末混合后放入球磨机中，在向球磨罐中充入纯度为99.99％的氩气、球料重量比为20∶1、球磨机转速为500转/分钟的条件下对混合粉末球磨50小时，得到复合粉末；(二)在复合粉末中添加占粉末重量2％的炭纳米管，然后在球磨机中以80转/分钟的速度进行低速混粉20小时，得到分散均匀的含炭纳米管的复合粉末；(三)将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以950℃、压力范围为80KN及真空度为5Pa的条件烧结15分钟，然后向烧结炉中通入纯度为99.99％的氮气并冷却至室温，得到三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料。
本实施方式制备的三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料力学性能好，室温塑性为1.5～4％、屈服强度为350～550Mpa、抗拉强度为550～800Mpa，本实施方式制备TiAl基复合材料有电子显微镜观察，1000倍扫描结果如图1所示：图1中TiAl基复合材料的材料致密，组织细小匀均。
具体实施方式二十四：本实施方式通过以下步骤实现：(一)按照原子比将50at.％的Ti粉、49at.％的Al粉和1at.％的Ta元素粉末混合后放入球磨机中，在向球磨罐中充入纯度为99.99％的氩气、球料重量比为15∶1、球磨机转速为800转/分钟的条件下对混合粉末球磨40小时，得到复合粉末；(二)在复合粉末中添加占粉末重量1.5％的炭纳米管，然后在球磨机中以80转/分钟的速度进行低速混粉15小时，得到分散均匀的含炭纳米管的复合粉末；(三)将含炭纳米管的复合粉末在等离子烧结炉中以900℃、压力范围为100KN及真空度为6Pa的条件烧结10分钟，然后向烧结炉中通入纯度为99.99％的氮气并冷却至室温，得到三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料。
本实施方式制备的三维网状结构Ti₂AlC增强的TiAl基复合材料力学性能好，室温塑性为1.5～4％、屈服强度为350～550Mpa、抗拉强度为550～800Mpa，本实施方式制备TiAl基复合材料有电子显微镜观察，1000倍扫描结果如图2所示：图2中TiAl基复合材料的材料致密，组织细小匀均。