-SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，具體涉及一種Ti3AlC2-SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Ni基高溫合金具有熱穩(wěn)定性好、高溫強(qiáng)度和硬度高、耐腐蝕、抗磨損等特點(diǎn)，由于它的最高使用溫度比鐵基、鈷基高溫合金高出150?200°C左右，因此廣泛地用于制作渦輪盤(pán)等發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，由于渦輪盤(pán)等工作溫度的進(jìn)一步提高，要求合金具有更好的高溫強(qiáng)度和工作溫度。目前，第二相強(qiáng)化已成為一種有效手段。通過(guò)第二相強(qiáng)化使合金的強(qiáng)度和硬度提高，已使用的陶瓷增強(qiáng)相有SiC纖維、A1203顆粒、WC顆粒、Y203顆粒等。
[0003]Ti3AlC2三元碳化物兼具金屬和陶瓷的雙重優(yōu)異性能，熔點(diǎn)高，室溫導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好，楊氏模量和剪切模量高，熱穩(wěn)定性好，耐腐蝕，抗氧化性能好，可機(jī)械加工，高溫還具有塑性。最令人不可思議的是，耐磨性和自潤(rùn)滑性非常突出，受到了研究者的廣泛關(guān)注，成為Ni基高溫合金較為理想的增強(qiáng)相。
[0004]SiC陶瓷不僅具有優(yōu)異的常溫力學(xué)性能，如高的抗彎強(qiáng)度、優(yōu)良的抗氧化性、良好的耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦系數(shù)，而且高溫力學(xué)性能(強(qiáng)度、抗蠕變性能等)非常高，常作為增強(qiáng)相用于改善其它陶瓷或金屬的性能。但是目前為止，還沒(méi)有研究者利用核殼結(jié)構(gòu)Ti3AlC2-SiC顆粒協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種Ti3AlC2_SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料及其制備方法，該方法充分發(fā)揮了 Ti3AlC2和SiC的優(yōu)勢(shì)，能夠提高Ni基高溫合金的綜合性能，且制備工藝簡(jiǎn)單易行，燒結(jié)溫度低，制備成本低。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007 ] 一種T i 3A1 C2_S i C相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0008]1)按質(zhì)量比為1:1?1:10將SiC粉和Ti3Al(^^混合后裝入球磨罐中，干法球磨10?30h，得到以SiC為核、Ti3AlC2為殼的核殼結(jié)構(gòu)Ti3AlC2-SiC粉體；
[0009]2)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，將5?50%的核殼結(jié)構(gòu)Ti3AlC2_SiC粉體與50?95%的Ni粉混合后裝入球磨罐中，濕法球磨30?90min，然后對(duì)球磨產(chǎn)物進(jìn)行干燥處理，得到復(fù)合粉體；
[0010]3)將復(fù)合粉體裝入模具中進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)固化，設(shè)置壓力為10?30MPa，從室溫升溫至900°C?1150°C的燒結(jié)溫度，保溫0?60min，然后隨爐自然冷卻，即得到Ti3AlC2_SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料。
[0011 ] 所述步驟1)中球磨時(shí)的球料比為6:1?10:1，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為500?900r/min。
[0012]所述步驟2)中球磨時(shí)的球料比為3:1?5:1，球磨助劑為乙醇，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200?500r/mino
[0013]所述步驟1)和步驟2)中使用的球磨罐為不銹鋼球磨罐，使用的磨球?yàn)椴讳P鋼磨球，使用的球磨機(jī)為行星式球磨機(jī)。
[0014]所述步驟3)中的升溫速率為8?10°C/min。
[0015]制得的Ti3AlC2_SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料中增強(qiáng)相均勻分布在基體相中，其中Ni為基體相，Ti3AlC2-SiC相為增強(qiáng)相，且Ti3AlC2-SiC相呈以SiC為核、Ti3AlC2為殼的核殼結(jié)構(gòu)。
[0016]該復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為1059.17?1101.36MPa，斷裂韌性為22.14?27.92MPa.m1/2。
[0017]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為:
[0018]本發(fā)明提供的Ti3AlC2_SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料的制備方法，首先將SiC粉和Ti3AlC2粉進(jìn)行干法高能球磨，形成Ti3AlC2-SiC核殼結(jié)構(gòu)，然后與Ni粉經(jīng)濕法球磨混合均勻，干燥后進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，得到Ti3AlC2-SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)對(duì)高強(qiáng)高硬度的SiC粉和高熱穩(wěn)定性及抗氧化能力較強(qiáng)的柔性導(dǎo)電Ti3AlC2粉進(jìn)行干法高能球磨，獲得以SiC為核、Ti3AlC2為殼的核殼結(jié)構(gòu)Ti3AlC2-SiC粉體，用于增強(qiáng)Ni基合金，既不會(huì)降低Ni基合金的導(dǎo)電性，又能充分發(fā)揮Ti3AlC2和SiC的優(yōu)點(diǎn)，Ti3AlC2導(dǎo)電性強(qiáng)不會(huì)影響Ni基合金的導(dǎo)電性能，還可發(fā)揮其增韌效果，SiC高強(qiáng)高硬可大大提高Ni基合金的強(qiáng)度和硬度，可實(shí)現(xiàn)Ni基復(fù)合材料性能的進(jìn)一步改善。且該方法制備工藝簡(jiǎn)單，易于操作，燒結(jié)溫度低，制備成本低，適合制造需要高強(qiáng)度、高耐磨、耐高溫的零部件。
[0019]本發(fā)明制得的Ti3AlC2_SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料具有優(yōu)于其各組分性能的整體優(yōu)異性能，具有高強(qiáng)度、高韌性等顯著特點(diǎn)，并且由于其固有的核殼結(jié)構(gòu)而使其性能的可控性強(qiáng)，可滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高溫合金具有更高的高溫強(qiáng)度和工作溫度的苛刻要求，有望用于制造航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)及各種工業(yè)燃?xì)鈾C(jī)的最熱端部件，在航空航天、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域展示出廣泛的應(yīng)用前景。
[0020]進(jìn)一步的，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，本發(fā)明制得的Ti3AlC2_SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度高達(dá)1059.17?1101.36MPa，斷裂韌性高達(dá)22.14?27.92MPa.m1/2，遠(yuǎn)高于一般的陶瓷增強(qiáng)Ni基合金的強(qiáng)度和韌性。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為實(shí)施例1制備的Ti3AlC2_SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料的光學(xué)顯微照片。
[0022]圖2為實(shí)施例2制備的Ti3AlC2_SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料的光學(xué)顯微照片。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]實(shí)施例1
[0025]1)將SiC/Ti3AlC2(質(zhì)量比)為1:1的混合粉裝入不銹鋼球磨罐中，不銹鋼磨球/混合粉(質(zhì)量比)8:1，抽真空后采用行星式球磨機(jī)干法高能球磨10h，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為600r/min，獲得核殼結(jié)構(gòu)Ti3AlC2-SiC粉體。
[0026]2)稱(chēng)取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的SiC-Ti3AlC2粉體與90%的Ni粉體裝入不銹鋼球磨罐中，不銹鋼磨球/混合粉(質(zhì)量比)3:1，以乙醇為球磨助劑，濕法球磨30min，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min，使粉體混合均勻，然后進(jìn)行低溫干燥處理，得到復(fù)合粉體。
[0027]3)將干燥后的復(fù)合粉體裝入模具中，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)固化，以10°C/min的升溫速率從室溫升溫至1000°C的燒結(jié)溫度，保溫30min，此過(guò)程中施加的壓力為25MPa，然后隨爐自然冷卻，即得到Ti3AlC2-SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料。
[0028]圖1為實(shí)施例1制備的Ti3AlC2_SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料的光學(xué)顯微照片，由圖1可見(jiàn)，制得的Ti3AlC2-SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，增強(qiáng)相顆粒細(xì)小并呈彌散分布在基體相中。
[0029]采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)量實(shí)施例1制備的Ti3AlC2_SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為1101.36MPa，采用三點(diǎn)彎曲單邊切口梁法(SENB)測(cè)量其斷裂韌性為27.92MPa.πι1/2。
[0030]實(shí)施例2
[0031]1)將SiC/Ti3AlC2(質(zhì)量比)為1:2的混合粉裝入不銹鋼球磨罐中，不銹鋼磨球/混合粉(質(zhì)量比)8:1，抽真空后采用行星式球磨機(jī)干法高能球磨10h，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為600r/min，獲得核殼結(jié)構(gòu)Ti3AlC2-SiC粉體。
[0032]2)稱(chēng)取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的SiC-Ti3AlC2粉體與85%的Ni粉體裝入不銹鋼球磨罐中，不銹鋼磨球/混合粉(質(zhì)量比)3:1，以乙醇為球磨助劑，濕法球磨30min，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min，使粉體混合均勻，然后進(jìn)行低溫干燥處理，得到復(fù)合粉體。
[0033]3)將干燥后的復(fù)合粉體裝入模具中，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)固化，以10°C/min的升溫速率從室溫升溫至1000°C的燒結(jié)溫度，保溫30min，此過(guò)程中施加的壓力為25MPa，然后隨爐自然冷卻，即得到Ti3AlC2-SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料。
[0034]圖2為實(shí)施例2制備的Ti3AlC2_SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料的光學(xué)顯微照片，由圖2可見(jiàn)，制得的Ti3AlC2-SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，增強(qiáng)相含量明顯增多，增強(qiáng)相在基體相中的分布較為均勻，但含量增大后團(tuán)聚現(xiàn)象會(huì)加劇。
[0035]采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)量實(shí)施例2制備的Ti3AlC2_SiC相協(xié)同增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料的