[发明专利]原位反应合成TiCx颗粒增强镍基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料领域，特别是涉及一种原位反应合成TiC_x颗粒增强镍基复合材料的方法，利用熔铸法原位反应合成20-40％体积分数TiC_x颗粒增强镍基复合材料。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料由于具有高的比强度和比模量、耐高温、耐磨损以及热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的性能，已成为复合材料的重要组成部分，在最近30年内得到了长足的发展。颗粒增强金属基复合材料兼顾了金属良好的韧性和陶瓷的高耐磨性，具有单一金属或陶瓷材料不可比拟的优异性能。由于金属基复合材料的制备成本较高、工艺较复杂等原因而限制了其应用范围，目前仅铝基复合材料得到了较为成熟的应用。

TiC_x陶瓷(x可在0.5-1范围变化)具有高硬度、高熔点、高模量和良好的耐腐蚀性能，TiC_x颗粒增强的金属基复合材料既保留了TiC_x的优点，又具有良好的韧性，在民用及国防领域具有广阔的应用前景。传统外加TiC_x颗粒制备TiC_x颗粒增强镍基复合材料(以下简称TiC_x/Ni复合材料)的方法主要有粉末冶金、熔铸、真空液态金属浸渗法等，其主要缺点是陶瓷相与粘结相润湿性差，工艺复杂、成本较高，TiC_x陶瓷相体积分数一般小于15％。

利用熔铸法制备TiC_x/Ni复合材料时，如采用在Ni熔体中直接加入Ti、C块体或粉末的方法，其局限性在于：(1)由于Ti、C比重低于Ni熔体，会产生C和Ti上浮且形成熔渣、Ti-C反应不完全等问题；(2)Ti、C加入量有限，所形成TiC_x/Ni复合材料中，TiC_x陶瓷相体积分数一般小于15％。

自蔓延高温合成法(SHS)是一种合成陶瓷及复合材料的新方法，又称燃烧合成法(CS)。与传统外加陶瓷颗粒的方法相比，SHS法合成材料具有工艺简单、过程时间短、合成产物纯度高、可以直接制备致密材料等优点，但自蔓延高温合成技术适合制备高陶瓷体积分数的金属陶瓷。对于TiC_x/Ni复合材料而言，只有当TiC_x体积分数为50-90％时，才能采用自蔓延高温合成法(当TiC_x体积分数大于50％时，常称为TiC_x/Ni金属陶瓷)；而当TiC_x体积分数小于50％时，由于Ti-C反应所放出的热量有限，很难形成致密、反应完全的块体TiC_x/Ni复合材料。因此，低孔隙率、界面结合良好、且TiC_x体积分数为20-50％的TiC_x/Ni复合材料的制备为当今的技术难点。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种原位反应合成TiC_x颗粒增强镍基复合材料的方法，解决上述关于TiC_x体积分数为20-50％的TiC_x/Ni复合材料制备技术的难题，该复合材料中TiC_x陶瓷相体积分数可达20-40％。实现本发明的工艺步骤如下：

1、混合粉末的制备

粉末材料由Ti、C、Al、Fe、Mo等组成。所选用的粉末中，Al粉(100-200目、纯度≥99.5％)：8-12wt.％，Fe粉(100-200目、纯度≥99.6％)：12-15wt.％，Mo粉(100-200目、纯度≥99.6％)：3-5wt.％，石墨C粉(200-300目、纯度≥99.6％)：8-12wt.％，其余为Ti粉(100-200目、纯度≥99.6％)；上述粉末中，Ti粉与C粉重量比需满足(5-6.7)∶1的关系，即Ti、C原子比近似满足1∶(0.55-0.8)的关系。

上述混合粉末中，Ti粉、C粉作用是在高温下发生强放热反应原位生成TiC_x增强相(x在0.6-1范围)，由于Ti与C原子比小于1，可使高温反应过程中少部分Ti扩散至粘结相中，复合材料凝固后使粘结相达到固溶强化目的。添加Al的目的是提高所形成TiC_x/Ni复合材料的抗高温氧化性能，并提高复合材料的高温强度；添加Fe的作用是通过Fe的固溶强化来提高粘结相的强度，并降低成本；添加Mo的作用是改善TiC_x与Ni的润湿性。