專利名稱：原位反應(yīng)合成TiC_x顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，特別是涉及一種原位反應(yīng)合成TiCx顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合 材料的方法，利用熔鑄法原位反應(yīng)合成20-40%體積分?jǐn)?shù)Ti(;顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于具有高的比強(qiáng)度和比模量、耐高溫、耐磨損以及熱 膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異的性能，已成為復(fù)合材料的重要組成部分，在最近 30年內(nèi)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料兼顧了金屬良好的韌性和陶瓷的 高耐磨性，具有單一金屬或陶瓷材料不可比擬的優(yōu)異性能。由于金屬基復(fù)合材料的制 備成本較高、工藝較復(fù)雜等原因而限制了其應(yīng)用范圍，目前僅鋁基復(fù)合材料得到了較 為成熟的應(yīng)用。
TiG陶瓷(x可在0.5-1范圍變化)具有高硬度、高熔點(diǎn)、高模量和良好的耐腐蝕 性能，TiCx顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料既保留了TiCx的優(yōu)點(diǎn)，又具有良好的韌性，在 民用及國(guó)防領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)外加TiCx顆粒制備TiCx顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合 材料(以下簡(jiǎn)稱TiCVNi復(fù)合材料)的方法主要有粉末冶金、熔鑄、真空液態(tài)金屬浸滲 法等，其主要缺點(diǎn)是陶瓷相與粘結(jié)相潤(rùn)濕性差，工藝復(fù)雜、成本較高，TiQc陶瓷相體 積分?jǐn)?shù)一般小于15%。
利用熔鑄法制備TiCVNi復(fù)合材料時(shí)，如采用在Ni熔體中直接加入Ti、 C塊體或 粉末的方法，其局限性在于(1)由于Ti、 C比重低于Ni熔體，會(huì)產(chǎn)生C和Ti上浮 且形成熔渣、Ti-C反應(yīng)不完全等問(wèn)題；(2) Ti、 C加入量有限，所形成TiCVNi復(fù)合材 料中，TiQ陶瓷相體積分?jǐn)?shù)一般小于15n/0。
自蔓延高溫合成法(SHS)是一種合成陶瓷及復(fù)合材料的新方法，又稱燃燒合成法 (CS)。與傳統(tǒng)外加陶瓷顆粒的方法相比，SHS法合成材料具有工藝簡(jiǎn)單、過(guò)程時(shí)間短、 合成產(chǎn)物純度高、可以直接制備致密材料等優(yōu)點(diǎn)，但自蔓延高溫合成技術(shù)適合制備高 陶瓷體積分?jǐn)?shù)的金屬陶瓷。對(duì)于TiCVNi復(fù)合材料而言，只有當(dāng)TiCx體積分?jǐn)?shù)為50-90% 時(shí)，才能采用自蔓延高溫合成法(當(dāng)TiCx體積分?jǐn)?shù)大于50。/。時(shí)，常稱為T(mén)iCVNi金屬 陶瓷)；而當(dāng)TiCx體積分?jǐn)?shù)小于50"/。時(shí)，由于Ti-C反應(yīng)所放出的熱量有限，很難形成 致密、反應(yīng)完全的塊體TiCVNi復(fù)合材料。因此，低孔隙率、界面結(jié)合良好、且TiCx 體積分?jǐn)?shù)為20-50%的TiCx/Ni復(fù)合材料的制備為當(dāng)今的技術(shù)難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種原位反應(yīng)合成TiCx顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料的方法， 解決上述關(guān)于TiCx體積分?jǐn)?shù)為20-50%的TiCx/Ni復(fù)合材料制備技術(shù)的難題，該復(fù)合材 料中TiCx陶瓷相體積分?jǐn)?shù)可達(dá)20-40%。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的工藝步驟如下1、 混合粉末的制備
粉末材料由Ti、 C、 Al、 Fe、 Mo等組成。所選用的粉末中，Al粉(100-200目、 純度》99. 5%): 8-12wt. %， Fe粉(100-200目、純度>99. 6%): 12-15wt. %， Mo粉(100-200 目、純度》99.6%): 3-5wt.W，石墨C粉(200-300目、純度》99.6%): 8-12wt. %，其余 為T(mén)i粉(100-200目、純度》99. 6%);上述粉末中，Ti粉與C粉重量比需滿足(5-6. 7) :1 的關(guān)系，即Ti、 C原子比近似滿足l: (0.55-0.8)的關(guān)系。
上述混合粉末中，Ti粉、C粉作用是在高溫下發(fā)生強(qiáng)放熱反應(yīng)原位生成TiCx增強(qiáng) 相(x在0.6-1范圍)，由于Ti與C原子比小于1，可使高溫反應(yīng)過(guò)程中少部分Ti擴(kuò) 散至粘結(jié)相中，復(fù)合材料凝固后使粘結(jié)相達(dá)到固溶強(qiáng)化目的。添加A1的目的是提高所 形成TiCVNi復(fù)合材料的抗高溫氧化性能，并提高復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度；添加Fe的作 用是通過(guò)Fe的固溶強(qiáng)化來(lái)提高粘結(jié)相的強(qiáng)度，并降低成本；添加Mo的作用是改善TiCx 與Ni的潤(rùn)濕性。
將上述配比的混合粉末放入干燥箱中干燥5-8小時(shí)，然后放入球磨機(jī)中混料4-6小 時(shí)，得到成分均勻的混合粉末。
2、 粉芯片的制備
粉芯片的外皮為Ni箔，其純度》99.5%， Ni箔厚度在60-150um范圍，寬度在 60-90mm范圍，長(zhǎng)度在150-200rnm范圍。將Ni箔巻成直徑16-25mm的圓筒，在圓筒內(nèi) 灌入由步驟1所述球磨混料后的混合粉末，使Ni箔與混合粉末的重量比為1: 9。將含 粉末圓筒兩端壓扁封閉，然后將含粉末圓筒放入具有矩形截面槽模具的液壓壓力機(jī)中， 利用壓力機(jī)壓頭將含粉末圓筒壓成矩形截面粉芯片，壓頭施加在含粉末圓筒上的壓強(qiáng) 為50-100MPa，加壓時(shí)間為10-20秒。
粉芯片的作用是
(1) 混合粉末緊密接觸并被約束在Ni箔內(nèi)，使熔煉時(shí)各種粉末被迅速加熱至高
溫；
(2) 由于Ti、 C粉末由鎳箔包覆并緊密接觸，使熔煉過(guò)程中Ti、 C迅速發(fā)生反應(yīng) 生成TiCx，防止C粉在熔煉過(guò)程中上浮形成熔渣。
3、 熔煉及澆鑄工藝
利用真空中頻感應(yīng)熔煉爐制備TiCx/Ni復(fù)合材料，具體步驟為
(1) 選用純度為99.5-99.97。/。的電解Ni塊和步驟2所述粉芯片作為熔煉材料，其 中電解Ni塊的重量百分比為65-75wt.。/。，余量為粉芯片；
(2) 按上述重量比，先將粉芯片置在坩堝底部(坩堝置于真空中頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi))， 然后將電解Ni塊置于粉芯片上部的坩堝中；
(3) 關(guān)閉爐門(mén)，將瑢煉爐抽至真空度為0.05-0.1Pa;
(4) 通入氬氣，使其壓強(qiáng)為0.04-0.08MPa;
(5) 接通電源并調(diào)節(jié)電流，使中頻感應(yīng)裝置的功率達(dá)到25-30kW,利用中頻感應(yīng) 加熱原理將爐內(nèi)溫度升至1620-180(TC，攪拌精煉時(shí)間為3-8分鐘；
(6) 將坩堝內(nèi)的復(fù)合材料熔體澆入預(yù)先置于爐內(nèi)的石墨模具內(nèi)凝固成型；(7)當(dāng)澆鑄的復(fù)合材料冷卻后，將其從模具中取出，最終得到所需尺寸的平板狀 TiCx/Ni復(fù)合材料。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，利用熔鑄原位反應(yīng)合成TiC,的方法制備TiCx體積分?jǐn)?shù)為 20-40%的TiCx/Ni復(fù)合材料。由于陶瓷相在熔煉過(guò)程中原位生成，陶瓷相與粘結(jié)相界面 潔凈、潤(rùn)濕性好，從而得到致密度接近100%、高強(qiáng)度、較高硬度的耐高溫復(fù)合材料， 其高溫強(qiáng)度、硬度顯著高于常規(guī)鎳基高溫合金。


圖1為按本發(fā)明所述方法制備的TiCVNi復(fù)合材料的掃描電鏡照片。
圖2按本發(fā)明所述方法制備的TiCVNi復(fù)合材料的能譜分析結(jié)果，TiC"相l(xiāng)，TiC。.93 相2， Ni-Al-Ti-Mo合金粘結(jié)相3。
圖3為按本發(fā)明所述方法制備的TiCx/Ni復(fù)合材料的外觀照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例
按如下步驟制備大塊TiCx/Ni復(fù)合材料。
1、混合粉末的制備
選用Ti、 C、 Al、 Fe、 Mo等粉末材料。所選用的粉末中，Al粉(-100目、純度99. 8%): 12wt.%， Fe粉(-100目、純度99.8%): 15wt.%， Mo粉(-200目、純度99.9%): 3wt.%， 石墨C粉(-200目、純度99.8%): 10wt.%，其余為T(mén)i粉(-100目、純度99.9%)。
將上述配比的混合粉末放入干燥箱中干燥6小時(shí)，然后放入球磨機(jī)中混料5小時(shí)， 得到成分均勻的混合粉末。
2、 粉芯片的制備
粉芯片的外皮為Ni箔，其純度99.8%, Ni箔厚度為100um，寬度為70 ，長(zhǎng)度 為200咖。將Ni箔巻成直徑約為18mm的圓筒，在圓筒內(nèi)灌入由步驟1所述球磨混料后 的混合粉末，使Ni箔與混合粉末的重量比為l: 9。將含粉末圓筒兩端壓扁封閉，然后 將含粉末圓筒放入壓力機(jī)具有矩形截面槽的模具中，利用壓力機(jī)壓頭將含粉末圓筒壓 成矩形截面粉芯片，壓頭施加在含粉末圓筒上的壓強(qiáng)為80MPa，加壓時(shí)間為12秒。
3、 熔煉及澆鑄工藝
利用真空中頻感應(yīng)熔煉爐制備TiCVNi復(fù)合材料，具體步驟為 (1)選用純度為99.97。/。的電解M塊和步驟2所述粉芯片作為熔煉材料，其中電 解Ni塊的重量百分比為70wt.%，余量為粉芯片；(2)按上述重量比，先將粉芯片置 在坩堝底部，然后將電解Ni塊置于粉芯片上部的坩堝中；(3)將坩堝置于熔煉爐中， 關(guān)閉爐門(mén)，將熔煉爐抽至真空度為0.1Pa; (4)在熔煉爐內(nèi)通入氬氣，使其壓強(qiáng)為 0.05MPa; (5)接通電源并調(diào)節(jié)電流，使中頻感應(yīng)裝置的功率達(dá)到28kW，利用中頻感 應(yīng)加熱原理將爐內(nèi)溫度升至1650。C，攪拌精煉時(shí)間為4分鐘；(6)將坩堝內(nèi)的復(fù)合材 料熔體澆入預(yù)先置于爐內(nèi)的石墨模具內(nèi)凝固成型，石墨模具的內(nèi)腔尺寸為 100x200x20mm3; (7)當(dāng)澆鑄的復(fù)合材料冷卻后，將其從模具中取出，最終得到尺寸 為100x200x20mm3的平板狀TiCx/Ni復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1、一種原位反應(yīng)合成TiCx顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料的方法，其特征在于，工藝步驟為(1)混合粉末的制備粉末材料由Ti、C、Al、Fe、Mo組成，其中，Al粉8-12wt.％，F(xiàn)e粉12-15wt.％，Mo粉3-5wt.％，石墨C粉8-12wt.％，余量為T(mén)i粉，粉末中Ti粉與C粉重量比需滿足(5-6.7)∶1的關(guān)系；將上述配比的混合粉末放入干燥箱中干燥5-8小時(shí)，然后放入球磨機(jī)中混料4-6小時(shí)，得到成分均勻的混合粉末；(2)粉芯片的制備粉芯片的外皮為Ni箔，將Ni箔卷成直徑16-25mm的圓筒，在圓筒內(nèi)灌入所述球磨混料后的混合粉末，使Ni箔與混合粉末的重量比為1∶9；將含粉末圓筒兩端壓扁封閉，然后將含粉末圓筒放入具有矩形截面槽模具的液壓壓力機(jī)中，利用壓力機(jī)壓頭將含粉末圓筒壓成矩形截面粉芯片，壓頭施加在含粉末圓筒上的壓強(qiáng)為50-100MPa，加壓時(shí)間為10-20秒；(3)熔煉及澆鑄工藝?yán)谜婵罩蓄l感應(yīng)熔煉爐制備TiCx/Ni復(fù)合材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所屬的方法，其特征在于，所述的熔煉及澆鑄工藝步驟為(1) 選用純度為99.5-99.97%的電解Ni塊和粉芯片作為熔煉材料，其中電解M塊的重量百分比為65-75wt.%，余量為粉芯片；(2) 按上述重量比，先將粉芯片置在坩堝底部，然后將電解Ni塊置于粉芯片上部的坩堝中，并將坩堝置于真空中頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)；(3) 關(guān)閉爐門(mén)，將熔煉爐抽至真空度為0.05-0.1Pa;(4) 通入氬氣，使其壓強(qiáng)為0.04-0.08MPa;(5) 接通電源并調(diào)節(jié)電流，使中頻感應(yīng)裝置的功率達(dá)到25-30kW，利用中頻感應(yīng)加熱原理將爐內(nèi)溫度升至1620-180(TC，攪拌精煉時(shí)間為3-8分鐘；(6) 將坩堝內(nèi)的復(fù)合材料熔體澆入預(yù)先置于爐內(nèi)的石墨模具內(nèi)凝固成型；(7) 當(dāng)澆鑄的復(fù)合材料冷卻后，將其從模具中取出，得到所需尺寸的平板狀TiCxM復(fù)合材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，Al粉100-200目、純度》99.5%，F(xiàn)e粉100-200目、純度》99. 6%; Mo粉100-200目、純度》99. 6%;石墨C粉200-300目、純度>99.6%， Ti粉:100-200目、純度》99.6%。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，Ni箔的純度》99.5%， Ni箔厚度在60-150 um范圍，寬度在60-90mm范圍，長(zhǎng)度在150-200面范圍。
全文摘要
一種原位反應(yīng)合成TiC_x顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料的方法，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。制備工藝包括混合粉末的制備粉末材料由Ti、C、Al、Fe、Mo組成，其中，Al粉8-12wt.％，F(xiàn)e粉12-15wt.％，Mo粉3-5wt.％，石墨C粉8-12wt.％，余量為T(mén)i粉，粉末中Ti粉重量與C粉重量的比值需滿足(5-6.7)∶1的關(guān)系；粉芯片的制備將Ni箔卷成直徑16-25mm的圓筒，在圓筒內(nèi)灌入球磨混料后的混合粉末；熔煉及澆鑄工藝?yán)谜婵罩蓄l感應(yīng)熔煉爐制備TiC_x/Ni復(fù)合材料。優(yōu)點(diǎn)在于，制備出TiC_x體積分?jǐn)?shù)為20-40％的TiC_x/Ni復(fù)合材料；致密度接近100％，高溫強(qiáng)度、硬度顯著高于常規(guī)鎳基高溫合金。
文檔編號(hào)C22C1/02GK101649398SQ20091009160
公開(kāi)日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月28日
發(fā)明者劉宗德, 斌 李, 娟 田, 胡衛(wèi)強(qiáng) 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué);北京華電納鑫科技有限公司