[发明专利]一种制备高纯度Ti2AlC块体材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Ti₂AlC块体材料的制备方法。

背景技术

Ti₂AlC是一种新型三元层状化合物。它既具有陶瓷的诸多优点，比如高模量(杨氏模量277.6GPa，剪切模量118.8GPa)，高强度等，同时也具有金属的某些性能，比如低硬度，可加工，良好导电导热性能，有较高的损伤容限。Ti₂AlC具有很低的密度(理论密度4.11g/cm²)和优良的抗氧化性能，因此可以作为高温结构材料使用。Ti₂AlC作为新型结构/功能一体化材料在航空、航天、电子工业和核工业等领域具有广泛应用空间。虽然Ti₂AlC具有许多优良的综合性能及广阔的应用前景，但是Ti₂AlC的制备极其困难，使得它的相关基础研究和应用受到限制。目前，三元层状化合物Ti₂AlC块体主要是通过热压、热等静压等工艺制备而成，以Ti、Al₄C₃和C为原料，在1300℃，40MPa下热等静压30小时获得了的Ti₂AlC块体材料；由于原料中的Al₄C₃具有吸湿性，使产物中有一定量的Al₂O₃存在；而且目前制备Ti₂AlC块体材料的工艺的共同缺点在于制备温度高(1100～1600℃)、反应时间长(1～30小时)、难以制备直径大于100mm的材料；在制备过程中需要长时间连续加热，消耗了大量的电能；工艺复杂，需要真空环境或氩气保护；同时经过长时间的加热，材料的组织粗化，导致其力学性能差。

发明内容

本发明为了解决现有制备Ti₂AlC块体材料的方法存在反应温度高、反应时间长、工艺复杂、难以制得直径大于100mm的材料以及制备出的Ti₂AlC块体材料力学性能差的问题，而提供一种制备高纯度Ti₂AlC块体材料的方法。

本发明制备高纯度Ti₂AlC块体材料的方法按如下步骤进行：一、按照摩尔比将2.5～3.3摩尔的钛粉、1.5～2.3摩尔的铝粉和0.8～1.2摩尔的碳粉混合，再加入无水乙醇湿混5～30小时，自然晾干；二、将混合物料放入钢制模具中，施加15～45MPa的压力10～15s，此时物料形成一个圆柱形的坯体，在坯体的上放置一个沙饼，在沙饼的上放置厚度为30mm的钢制垫块，电阻丝引线从垫块边缘引出并与点火装置连接上；三、打开点火装置点火并使电阻丝通电发热，燃烧停止后立即对坯体施加2000kN～5000kN的轴向压力5～60秒，取出产品，30秒内埋入石英砂冷却，冷却20～30小时，即得到Ti₂AlC块体材料；步骤二的钢制模具为中国专利号为ZL03132642.0的专利《燃烧合成反应器》中的钢制模具。

本发明的钛粉、铝粉和碳粉的纯度为98％以上。

本发明步骤一中加入无水乙醇作为分散剂使物料混合均匀，使无水乙醇的液面没过物料；步骤二中的点火在圆柱体上表面进行点火，可以是在上表面的中心点火，或是在上表面的选取三个互呈120°角的半径中点同时点火，需要在点火点放置4～8g的点火剂，点火剂为Ti和C按摩尔比为1∶1混合的混合粉末、Ti和B按摩尔比为1∶2混合的混合粉末或Ti和B₄C按摩尔比为3∶1混合的混合粉末；步骤二的点火装置由一个能瞬间提供高达100A的电流的电源和铜导线组成，铜导线连接电阻丝；步骤二中的电阻丝的直径为0.1～0.5mm、长为15mm～25mm。

本发明具有以下优点：1、工艺成本低，无需长时间高温加热，生产效率高，主要的工艺过程在5分钟内完成；2、可以获得最大直径达240mm的Ti₂AlC块体产品，适合加工直径或长度大于50mm的机械或电子原件；3、工艺设备简单，维护保养方便；4、产物晶粒细小，具有良好的综合力学性能，其中弯曲强度大于400MPa，压缩强度约为1000MPa，均远大于热压热等静压工艺制备的Ti₂AlC(热压工艺制备的材料的弯曲强度为275MPa，压缩强度为763MPa；热等静压工艺制备的压缩强度为540MPa)；5、本发明制备的Ti₂AlC块体材料的纯度高于95％。

具体实施方式