專利名稱：一種銅增強(qiáng)三硅化五鈦基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種復(fù)合材料，本發(fā)明也涉及一種復(fù)合材料的制備方法。具體地說(shuō)是一種三硅化五鈦(Ti5Si3)基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
Ti5Si3金屬間化合物具有低密度(4. 32g · cm-3)，高熔點(diǎn)(2130 °C )，高楊氏模量 Q25GPa)，以及良好的高溫抗氧化性，使用溫度可高達(dá)1700°C。鑒于Ti5Si3具有如此優(yōu)異的性能，引起了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。目前，Ni基高溫合金的使用溫度已經(jīng)達(dá)到極限， 而研究比較成熟的金屬鋁基化合物(Ni2Al、Ti2Al、Fe2Al, Nb2Al等系)的使用溫度和Ni基合金無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。因此，有必要開(kāi)發(fā)和研制可在更高溫度(> 1600°C )下使用的新型高性能結(jié)構(gòu)材料。高熔點(diǎn)的金屬硅化物以Ti5Si3為代表，具有良好的綜合性能，它很有希望成為代替現(xiàn)今使用的高溫合金，成為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料。然而，Ti5Si3的致命缺點(diǎn)室溫脆性大、高溫強(qiáng)度低和抗蠕變性能差，直接限制了它的應(yīng)用。目前對(duì)打^“金屬間化合物強(qiáng)韌化的方法主要有細(xì)晶強(qiáng)化、合金化與復(fù)合化方法。 細(xì)化Ti5Si3晶?？梢蕴岣逿i5Si3的低溫力學(xué)性能，但比較難于控制且性能提高有限。合金化是在Ti5Si3中添加耐熱金屬元素形成固溶體來(lái)改善其性能。添加陶瓷顆粒、纖維或晶須等增強(qiáng)相制備打^“基復(fù)合材料，是目前最普遍的改善力學(xué)性能的途徑。晶須強(qiáng)韌化Ti5Si3 金屬間化合物效果顯著，而且工藝簡(jiǎn)單，但晶須昂貴的價(jià)格限制了其在實(shí)際領(lǐng)域中的應(yīng)用。 無(wú)論是細(xì)晶強(qiáng)化、合金化或復(fù)合化，他們的研究工作主要是停留在實(shí)驗(yàn)階段，沒(méi)有工程化的先例。專利申請(qǐng)?zhí)枮?01010100995. 0的專利文件中，公開(kāi)了一種Ti5Si3/TiAl復(fù)合材料的制備方法。純鈦顆粒堆積到鋼模具中得多孔鈦預(yù)制體，Al-Si合金鑄錠線切割成塊體，置于多孔鈦預(yù)制體上，真空熱壓燒結(jié)，冷卻至室溫后退模，即得Ti5Si3/TiAl復(fù)合材料。解決了采用現(xiàn)有技術(shù)制備的TiAl復(fù)合材料存在均勻性不好、致密度較低以及成本高的問(wèn)題。專利申請(qǐng)?zhí)枮?01019100012. 0的專利文件中，公開(kāi)了一種原位TW2-Ti5Si3復(fù)合材料及其制備方法。復(fù)合材料中原位TW2的質(zhì)量百分比為1 ( TW2 ( 20，其余為Ti5Si3金屬間化合物。制備步驟包括1)將B粉、Si粉和Ti粉作為反應(yīng)物，按照一定比例混合均勻并壓制成坯料；幻將反應(yīng)物壓坯在氬氣氛圍中進(jìn)行加熱預(yù)熱；隨后繼續(xù)加熱，直至其發(fā)生燃燒合成反應(yīng)，或采用反應(yīng)物壓坯底端用鎢極產(chǎn)生的電弧熱進(jìn)行點(diǎn)燃，引發(fā)燃燒合成反應(yīng)； 3)反應(yīng)結(jié)束后，進(jìn)行加壓，使之致密化，形成原位TB2-Ti5Si3復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有力學(xué)性能優(yōu)異、顯微結(jié)構(gòu)均勻且致密度高的銅增強(qiáng)三硅化五鈦基復(fù)合材料。本發(fā)明的目的還在于提供一種銅增強(qiáng)三硅化五鈦基復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的銅增強(qiáng)三硅化五鈦基復(fù)合材料是由質(zhì)量百分比為Cul-6%和 Ti5Si394-99% 制成的。本發(fā)明的銅增強(qiáng)三硅化五鈦基復(fù)合材料的制備方法為利用機(jī)械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時(shí)制備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉(zhuǎn)速為450轉(zhuǎn)/min;按照質(zhì)量百分比為生成的 Ti5Si394-99%、Cu粉1-6%的比例將各原料混合；將混合好的原料放入球磨罐中球磨3小時(shí)得到球磨過(guò)的漿料，球料比為20 1，轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/min ；將球磨過(guò)的漿料進(jìn)行真空干燥、 研磨，過(guò)130目篩得到粉體；將粉體放入石墨模具中，放入真空度小于等于l.OXlO—2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結(jié)60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結(jié)體。本發(fā)明的產(chǎn)品是先利用機(jī)械合金化的方法先制備晶粒細(xì)小的、高純Ti5Si3,再將高純Ti5Si3與Cu粉按照一定比例充分混合后的干燥粉體置于真空熱壓爐中，在高真空、高壓并加熱到1300°C燒結(jié)，得到Cu增強(qiáng)Ti5Si3基復(fù)合材料。復(fù)合材料具有優(yōu)異的常溫與高溫力學(xué)性能，并且具備良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性，是一種新型高性能高溫結(jié)構(gòu)材料。采用本發(fā)明的方法制備的Cu摻雜Ti5Si3基復(fù)合材料，得到的Ti5Si3基復(fù)合材料致密度高、氣孔率小、純度高、機(jī)械性能優(yōu)異。


圖1是本發(fā)明涉及的熱壓燒結(jié)的工藝圖。圖2-a是純Ti5Si3的燒結(jié)后試樣的斷口2_b是Cu摻雜Ti5Si3的燒結(jié)后試樣的斷口3-a、3_b為Ti5Si3和Cu摻雜Ti5Si3的燒結(jié)性能圖。
具體實(shí)施例方式下面舉例對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述1、利用機(jī)械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時(shí)制備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉(zhuǎn)速為450轉(zhuǎn)/min;按照質(zhì)量百分比將生成的 Ti5Si399%與Cu粉1 %的比例將原料混合；將混合好的溶液放入球磨罐中球磨3小時(shí)，球料比為20 1，轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/min;將球磨過(guò)的漿料進(jìn)行真空干燥、研磨，過(guò)130目篩；將準(zhǔn)備好的粉體放入石墨模具中，放入真空度小于等于1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結(jié)60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結(jié)體。2、利用機(jī)械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時(shí)制備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉(zhuǎn)速為450轉(zhuǎn)/min;按照質(zhì)量百分比將生成的 Ti5Si3QS%與Cu粉2%的比例將原料混合；將混合好的溶液放入球磨罐中球磨3小時(shí)，球料比為20 1，轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/min;將球磨過(guò)的漿料進(jìn)行真空干燥、研磨，過(guò)130目篩；將準(zhǔn)備好的粉體放入石墨模具中，放入真空度小于等于1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結(jié)60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結(jié)體。3、利用機(jī)械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氛中球磨25小時(shí)制備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉(zhuǎn)速為450轉(zhuǎn)/min;按照質(zhì)量百分比將生成的 Ti5Si397%與Cu粉3%的比例將原料混合；將混合好的溶液放入球磨罐中球磨3小時(shí)，球料比為20 1，轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/min;將球磨過(guò)的漿料進(jìn)行真空干燥、研磨，過(guò)130目篩；將準(zhǔn)備好的粉體放入石墨模具中，放入真空度小于等于1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結(jié)60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結(jié)體。4、利用機(jī)械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時(shí)制備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉(zhuǎn)速為450轉(zhuǎn)/min;按照質(zhì)量百分比將生成的 Ti5Si396%與Cu粉4%的比例將原料混合；將混合好的溶液放入球磨罐中球磨3小時(shí)，球料比為20 1，轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/min;將球磨過(guò)的漿料進(jìn)行真空干燥、研磨，過(guò)130目篩；將準(zhǔn)備好的粉體放入石墨模具中，放入真空度小于等于1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結(jié)60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結(jié)體。5、利用機(jī)械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時(shí)制備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉(zhuǎn)速為450轉(zhuǎn)/min;按照質(zhì)量百分比將生成的 Ti5Si395%與Cu粉5%的比例將原料混合；將混合好的溶液放入球磨罐中球磨3小時(shí)，球料比為20 1，轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/min;將球磨過(guò)的漿料進(jìn)行真空干燥、研磨，過(guò)130目篩；將準(zhǔn)備好的粉體放入石墨模具中，放入真空度小于等于1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結(jié)60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結(jié)體。6、利用機(jī)械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時(shí)制備純Ti5Si3粉體，其中球料比為30 1，轉(zhuǎn)速為450轉(zhuǎn)/min;按照質(zhì)量百分比將生成的 Ti5Si394%與Cu粉6%的比例將原料混合；將混合好的溶液放入球磨罐中球磨3小時(shí)，球料比為20 1，轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/min;將球磨過(guò)的漿料進(jìn)行真空干燥、研磨，過(guò)130目篩；將準(zhǔn)備好的粉體放入石墨模具中，放入真空度小于等于1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300°C下燒結(jié)60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結(jié)體。通過(guò)在上述具體實(shí)施方式
，應(yīng)用熱壓燒結(jié)技術(shù)結(jié)合超聲波和球磨工藝，獲得了致密度高于92 %，斷裂韌性提高了 52 %，抗彎強(qiáng)度提高了 112 %的Cu摻雜Ti5Si3基復(fù)合材料。比較例將Ti粉、Si粉放入在裝有無(wú)水乙醇球磨罐中進(jìn)行球磨3小時(shí)，其中球料比為20 1，轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/min;球磨后的漿料經(jīng)過(guò)冷凍干燥、研磨、過(guò)篩后放入石墨模具中，在1300°C燒結(jié)60min得到Ti5Si3燒結(jié)體。值得指出的是Cu的加入，在Ti5Si3晶粒界面出現(xiàn)塑韌相，增強(qiáng)了 Ti5Si3的塑韌性。在燒結(jié)過(guò)程中，部分Ti5Si3的Ti原子被Cu原子取代了，改變了 Ti5Si3的晶體結(jié)構(gòu)，起到合金強(qiáng)化化的作用。Cu的加入，通過(guò)界面強(qiáng)化和合金強(qiáng)化，明顯的改善了 Ti5Si3的室溫力學(xué)性能。
權(quán)利要求
1.一種銅增強(qiáng)三硅化五鈦基復(fù)合材料，其特征是由質(zhì)量百分比為Cul-6%和 Ti5Si394-99% 制成的。
2.一種銅增強(qiáng)三硅化五鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征是利用機(jī)械合金化將摩爾比為5 3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時(shí)制備純Ti5Si3粉體；按照質(zhì)量百分比為生成的Ti5Si394-99%、Cu粉1-6%的比例將各原料混合；將混合好的原料放入球磨罐中球磨3小時(shí)得到球磨過(guò)的漿料；將球磨過(guò)的漿料進(jìn)行真空干燥、研磨，過(guò)130目篩得到粉體； 將粉體放入石墨模具中，放入真空度小于等于1. 0 X ΙΟ"2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度 1300°C下燒結(jié)60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結(jié)體。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種銅增強(qiáng)三硅化五鈦基復(fù)合材料及其制備方法。利用機(jī)械合金化將摩爾比為5∶3的混合粉體在Ar氣氣氛中球磨25小時(shí)制備純Ti5Si3粉體；按照質(zhì)量百分比為生成的Ti5Si394-99％、Cu粉1-6％的比例將各原料混合；將混合好的原料放入球磨罐中球磨3小時(shí)得到球磨過(guò)的漿料；將球磨過(guò)的漿料進(jìn)行真空干燥、研磨，過(guò)130目篩得到粉體；將粉體放入石墨模具中，放入真空度小于等于1.0×10-2真空熱壓爐中，在壓力60MPa，溫度1300℃下燒結(jié)60min得到Cu摻雜Ti5Si3燒結(jié)體。發(fā)明的方法得到的Ti5Si3基復(fù)合材料致密度高、氣孔率小、純度高、機(jī)械性能優(yōu)異。
文檔編號(hào)C22C29/18GK102212732SQ20111013033
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月19日
發(fā)明者劉明, 方雙全, 武明, 黃瑩 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)