[发明专利]原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属间化合物合成和制造技术领域，涉及一种原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法。

 

背景技术

金属间化合物是由两种或两种以上的金属元素或金属元素与类金属元素为主要组元，按照一定的原子比组成的二元或多元中间相化合物。金属间化合物中原子为长程有序排列，原子间金属键与共价键共存，这使其既有金属的某些物理性能又兼具陶瓷的优良性能，如高的弹性模量、熔点、高温强度及优异的抗高温蠕变、氧化性能，而其韧性又高于普通的陶瓷材料，因而，在航空、航天和能源等领域有着广阔的应用前景。但金属间化合物室温脆性大，断裂抗力低，恶化了其综合性能，同时，也给金属间化合物零件的加工制造造成了障碍。金属间化合物晶粒尺寸的减小有助于提高它的室温塑性，此外，在金属间化合物基体中加入连续或非连续的增强相，如TiC、Al₂O₃、TiB2等陶瓷颗粒或W、Mo、Nb等难熔金属，制备出的金属间化合物基复合材料（IMCs），在一定程度上也可以改善金属间化合物的室温脆性，提高其断裂抗力。研究表明，IMCS的性能受增强体的尺寸、分布、体积分数以及增强体和基体界面的本质特征所控制，采用原位合成的方法，在金属间化合基体内反应生成尺寸细小、体积分数高且热力学稳定的陶瓷增强体时，金属间化合基复合材料将能能够获得优异的综合性能。

目前，制备原位陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的方法主要有原位热压反应合成法、自蔓延高温合成法、放热弥散法、反应自发浸渗法等。原位热压反应合成法的优点是材料的致密度高，但其所制备的复合材料的种类有限，而且工艺复杂，成本较高。自蔓延高温合成法生产率高、成本低，但过高的反应热使材料具有较大的气孔率，材料成形差且制备过程难以控制。放热弥散法的优点是增强相种类多，体积百分比可以通过控制增强相组分物料的比例和含量加以控制，但制备的产品中存在较大孔隙度，需要采用在反应过程直接压实以提高致密度。反应自发浸渗法强化相种类较多，能够制备大体积分数增强体，可近终成形等，但要求压坯的材质能够在金属或合金中湿润且具有高温热力学稳定性，且很难制备大尺寸或厚壁件，从而限制了其应用领域。总之，现有方法在提高和改善金属间化合物某一方面性能的同时，往往使其他性能降低，难以使金属间化合物获得优异的综合使用性能，制备原位金属间化合物基复合材料，现有方法有很大的局限性。因此，提出一种工艺简单、快捷，成本低廉的原位陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备技术很有必要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、可靠，且易于推广应用的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，以解决现有金属间化合物制备方法中存在的工艺和性能方面的问题，基于金属间化合物基体相和陶瓷增强相双相原位合成的原理，采用冷喷涂成形技术和热处理复合工艺，制备出原位纳米陶瓷颗粒增强Ti-Al金属间化合物基复合材料结构零件。

本发明为了实现上述目的而采取的技术方案为：

一种原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

采用Ti粉、Al粉和能与Ti形成陶瓷化合物的元素M粉为原料，将以上粉末按原子百分比25～75at.%的Ti、15～55at.%的Al和5～25at.%的M粉进行配比混合。

将上述混合粉末在惰性气氛、低温或真空下进行机械合金化制备Ti(Al，M)固溶体非晶粉末；

在平板状基体或零件表面进行喷砂粗化处理；

采用冷喷涂在上述基体或零件表面上喷涂步骤(2)准备的粉末，送粉量20～60g/min，获得厚度100μm～30mm的涂覆层或按照需要的形状获得近净成形零件；

对步骤(4)获得的涂覆层在真空或惰性气体环境下进行热处理，温度650～950℃，时间1～5小时，获得原位纳米陶瓷颗粒增强Ti-Al金属间化合物基复合材料；

基体需要剥离时，应将基体在步骤(5)的热处理之前进行剥离。

本发明的其他特点是：

所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，其特征在于，陶瓷颗粒增强体和金属间化合物基体均为原位反应产生。

所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，粉末M可以是Si、C、B等非金属中的一种或两种。

所述的原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料及其制备方法，机械合金化粉末为固溶体非晶粉末；