[发明专利]一种三维网络状分布的Ti2AlN颗粒增强TiAl基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Ti₂AlN颗粒增强TiAl基复合材料及其制备方法。

背景技术

TiAl合金良好的高温强度、蠕变抗力以及抗氧化性等特性，使其成为一种极具应用潜力的轻质高温结构材料。但其室温塑性和热变形能力差、高温下组织不稳定等不足限制了其广泛应用。因此通过引入增强体以改善TiAl合金性能的方法引起了广泛关注。

采用Ti₂AlN陶瓷作为增强体，制备Ti₂AlN颗粒增强TiAl基复合材料的关键在于如何引入第三种元素——氮。目前报道的Ti₂AlN增强TiAl基复合材料的制备方法及存在的问题如下：

(1)喷射沉积法：在氮气和氢气的混合气氛中，将Ti、Al喷射到事先预热的基板上，经随后的进一步反应形成目标复合材料。N元素通过Ti、Al液滴在飞行过程中的表面渗氮引入。缺点是：液滴飞行时间短，表面渗氮量有限，因此难以大范围控制Ti₂AlN的体积分数；得到的材料中难以形成单一的Ti₂AlN增强相，还含有少量其他种类的氮化物；所得材料中Ti₂AlN呈波浪状分布，导致材料呈现各向异性；材料的致密度尚待进一步提高。

(2)机械合金化法：以Ti、Al粉体为原材料，在空气环境下机械球磨。空气中N元素通过撞击过程中的温升及颗粒表面活性的提高渗入混合粉体中。渗入N元素的粉体经过真空或在氩气气氛下热压烧结后最终得到目标复合材料。此方法缺点是球磨过程中，O以及罐体材料元素必不可免的会引入到混合粉体中，致使最终材料不纯，含有Al₂O₃等杂质相；N元素的吸附量较少，难以大范围控制复合材料中Ti₂AlN的体积分数。

(3)热压烧结法：以Ti、Al、TiN粉为原料，经过混料或球磨合金化使三种原料颗粒混合均匀，进而使三种元素达到均匀分布状态，经真空或惰性气体气氛热压烧结后最终得到均匀弥散分布的Ti₂AlN颗粒增强TiAl复合材料。缺点是三种原料粉体很难均匀混合，易造成Ti₂AlN增强体颗粒团聚，需要长时间球磨以减少团聚；

发明内容

本发明的目的是提供一种三维网络状分布的Ti₂AlN颗粒增强TiAl基复合材料及其制备方法，得到的Ti₂AlN颗粒增强TiAl基复合材料中Ti₂AlN颗粒增强相呈三维网络状分布于TiAl基体中，使得复合材料的压缩强度提高，力学性能好。

本发明的三维网络状分布的Ti₂AlN颗粒增强TiAl基复合材料由Ti₂AlN颗粒增强相和TiAl基体组成，其中Ti₂AlN颗粒呈三维网络状分布于TiAl基体中。

本发明的三维网络状分布的Ti₂AlN颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法是通过以下步骤实现的：一、在流动的氮气气氛中，将钛粉加热至500℃～600℃，并保温渗氮12～48小时，得渗氮钛粉；二、按渗氮钛粉和铝粉的质量比为48∶16～27的比例称取渗氮钛粉和铝粉，将称取的渗氮钛粉和铝粉混合后加入液体分散剂后球磨混料5～20h，得湿混料，再将湿混料烘干得混合粉体；三、将步骤二得到的混合粉体冷压成型后放入石墨模具中，再将石墨模具放入热压烧结炉内进行热压烧结得三维网络状分布的Ti₂AlN颗粒增强TiAl基复合材料，其中热压烧结工艺为：由室温升温至600℃～800℃，然后加压至20～60MPa，保温保压1～4小时，再升温至1250℃～1350℃，保温保压0.5～2小时后，将压力卸载，再升温至1380℃～1450℃，保温0.5小时，再随炉冷却。

本发明的制备方法制备得到的三维网络状分布的Ti₂AlN颗粒增强TiAl基复合材料由Ti₂AlN颗粒增强相和TiAl基体组成，其中，Ti₂AlN颗粒呈三维网络状分布于TiAl基体中，将TiAl晶团包围起来，TiAl基体组织被细化，形成一种比单一TiAl基合金更为稳定的组织。