CN108265190A

CN108265190A - 一种TiB2/TiAl复合材料的微波热爆原位反应合成方法

Info

Publication number: CN108265190A
Application number: CN201611252925.0A
Authority: CN
Inventors: 姜元昊; 朱和国
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2018-07-10
Anticipated expiration: 2036-12-30
Also published as: CN108265190B

Abstract

本发明公开了一种TiB₂/TiAl复合材料的微波热爆原位反应合成方法。所述方法先制备待烧结试样，将压坯试样装入真空微波反应炉中，抽真空后微波加热至热爆反应发生，随后继续升温至烧结温度，保温反应结束后冷却取出，得到微纳颗粒TiB₂/TiAl块体。本发明采用微波作为热源，烧结预制的钛铝硼混合粉末压坯可得到不同增强体体积分数的微纳级TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料，该方法节能省时，烧结周期仅为常规烧结的1/6，且工艺操作简单、安全可靠、环境友好。本发明与常规烧结法相比，样品致密度可提高10％‑20％，显微硬度最高可提高约80％，平均显微硬度的提高可达60％左右，压缩性能提升20‑30％，且形成的微纳增强颗粒均是通过热爆反应产生，表面干净无污染，与基体结合良好。

Description

一种TiB2/TiAl复合材料的微波热爆原位反应合成方法

技术领域

本发明涉及一种TiB₂/TiAl复合材料的微波热爆原位反应合成方法，属于材料制备领域。

背景技术

微波热爆原位反应合成复合材料是指用微波代替传统热源来加热混合球磨并干燥好了的压制粉末压胚，使其达到热爆反应温度，依靠自身放热完成烧结的材料制备方法。该方法既具有传统粉末冶金制备复合材料的块体近净成形、简化生产工艺的优点，又利用了原位合成技术提高了增强体分布均匀性以及其与基体的结合强度、使得增强体与基体界面反应小，更体现了热爆反应高效烧结的特性及微波烧结清洁无污染、低能耗的优势，最为重要的是烧结材料的性能有了大幅度的提高。TiAl合金因其低密度，高比强度，高比刚度，优异的高温性能受到了广泛关注，以其为基体制备的复合材料性能更加优越，在航天航空、汽车、军事等领域成为新型高温材料的研究热点。TiB₂作为常用的陶瓷颗粒增强体有利于提高复合材料的硬度和导电性。

文献1通过轧制TiB₂/Al复合板材及纯Ti板并进行高温退火处理得到的TiB₂/TiAl复合材料，但是该方法工艺繁琐，耗时长，且对原料要求高(方堃，哈尔滨工业大学，2013,07,01)。传统的粉末冶金制备方法，如自蔓延高温合成制备TiB₂/TiAl复合材料(李卓然，冯吉才，焊接学报，2003,12,30)，无法避免可能造成试样局部应力集中以及快速蔓延造成的试样内部形成不是所需的复杂相等固有缺陷。迄今尚未有通过微波热爆原位反应合成微纳TiB₂增强颗粒钛铝基复合材料的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TiB₂/TiAl复合材料的微波热爆原位反应合成方法，该方法操作简单、安全可靠、节能省时、环境友好，且微纳颗粒均为原位反应生成，表面无污染、界面干净，可显著提高增强体相的韧性和强度，从而为金属基复合材料提供新型增强体。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种TiB₂/TiAl复合材料的微波热爆原位反应合成方法，通过微波加热引发复合材料中钛粉、铝粉和硼粉的热爆反应，自生成TiB₂增强体和TiAl基体，同时完成整体材料的烧结，具体包括如下步骤：

第一步、以增强体TiB₂在整体复合材料中的体积分数为a％，按Ti、Al和B粉末的质量比为(242.8+0.668a):(136.8-1.368a):1.399a，将Ti、Al和B粉混合后球磨；

第二步、将球磨后的粉体干燥，挤压成坯样，将坯样置入微波真空炉，抽真空；

第三步、微波加热至坯样发生热爆反应，继续加热至1000～1200℃下煅烧，保温5～10min后，停炉冷却至100～200℃，得到TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料。

第一步中，球粉质量比为5：1，球磨转速为250-300p.r.m，球磨时间为4～8h。

第二步中，所述的干燥温度为100～110℃，干燥时间为2小时，挤压压力为10～15MPa。

第三步中，所述的热爆反应发生温度为550～700℃。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)采用微波热爆反应技术合成TiB₂/TiA复合材料，节能省时，烧结周期仅为常规烧结的1/6，且工艺操作简单、安全可靠、环境友好；

(2)由于反应过程短，抑制了组织粗化，该方法可显著细化组织，提高该材料致密度，与常规烧结法相比，样品致密度可提高10％-20％，显微硬度最高可提高约80％，平均显微硬度的提高可达60％左右，压缩性能提升20-30％；

(3)形成的微纳增强颗粒均是通过热爆反应产生，表面干净无污染，与基体结合良好。

附图说明

图1为微波混合烧结试样的XRD图谱。

图2为传统真空电阻炉烧结10％TiB₂/TiAl试样图(a)和真空微波混合炉烧结10％TiB₂/TiAl试样图(b)。

图3为真空微波混合烧结炉烧结的10％TiB₂/TiAl试样SEM图，图中深色部分为TiB2增强体颗粒。

图4为真空微波混合烧结炉烧结的10％TiB₂/TiAl试样的TEM图，图中白色明亮部分为TiB₂增强体颗粒。

图5为10％(TiC+TiB₂)/TiAl真空电阻炉烧结试样宏观图(a)和10％(TiC+TiB₂)/TiAl微波真空炉烧结试样宏观图(b)。

图6为10％(TiC+TiB₂)/TiAl烧结试样XRD结果图。

图7为10％(TiC+TiB₂)/TiAl烧结试样棒状TiC颗粒TEM图，图中深色棒状物为TiC颗粒。

图8为10％(TiC+TiB₂)/TiAl烧结试样六边形TiB₂颗粒TEM图，图中深色背景为TiAl基体，亮白色为TiB₂颗粒。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。

本发明的一种TiB₂/TiAl复合材料的微波热爆原位反应合成方法，具体包括以下步骤：

(1)制反应试样：将Ti、Al和B粉混合后球磨，其中Ti、Al和B的摩尔比根据化学反应式：2Ti+Al+2B→α-TiAl+TiB₂确定，并以反应产物TiB₂为增强体、让Ti粉Al粉反应生成的钛铝金属间化合物作为基体相。设增强体TiB₂在钛铝基复合材料中的体积分数为a％，按Ti、Al和B粉末的质量比为(242.8+0.668a):(136.8-1.368a):1.399a混合球磨，球粉质量比为5：1，转速为250-300p.r.m，球磨时间为4～8h，再将球磨后的粉体干燥并挤压成坯，制成反应试样。

(2)装样抽真空：将压坯试样装入反应装置，保证侧面监视孔清晰观察反应的全过程，将反应装置置入真空炉后，抽真空到10^－1Pa左右。

(3)反应合成及保温：调整微波输入功率，控制升温速率，通过监视孔观察试样颜色在预热过程中的变化过程：当反应试样的颜色发生骤变(测温装置显示示数陡升)，温度骤升以至于超过程序设定的温度，微波停止工作，待放热结束后的试样温度接近或低于不断升高的设定温度时，微波重新恢复工作，试样达到烧结温度1000-1200℃后，保温5～10min，炉冷却至100～200℃后，取出反应试样，得到TiB₂颗粒增强块体材料。

实施例1：微波烧结10％TiB₂/TiAl试样

(1)制反应试样 Ti粉、Al粉和B粉的摩尔比为5.2：4.6：1.2，然后将它们置入球磨罐中，以5：1的球粉比，250p.r.m转速球磨混合4h，再以10MPa压力挤压成坯，制成压坯试样；

(2)装样抽真空将压坯试样置入微波真空反应炉，抽真空至10^－1Pa；

(3)反应合成设置微波输入功率为2000w，升温速率为70k/min，升温至550℃压坯试样发生热爆反应；保温，待试样热爆反应结束后，微波继续作用使试样升温至烧结温度1000℃，保温5分钟后，停止功率输入，炉冷却至100℃后，取出反应试样，得到TiB₂颗粒增强块体材料。

表1 10％TiB₂/TiAl复合材料传统烧结方式样品和微波真空炉烧结样品性能对比

表1为10％TiB₂/TiAl复合材料传统烧结方式样品和微波真空炉烧结样品性能对比，表中数据均为选取的五组样品平均值。微波真空炉烧方法由于反应过程短，抑制了组织粗化，该方法可显著细化组织，提高该材料致密度，与常规烧结法相比，样品致密度可提高10％-20％，显微硬度最高可提高约67％，平均显微硬度的提高可达50％左右，压缩性能提升20-30％。

图1为微波混合烧结试样的XRD图谱，可看出，微波热爆反应产物由TiB₂增强体和TiAl基体相组成。图2为传统真空电阻炉烧结10％TiB₂/TiAl试样图(a)和真空微波混合炉烧结10％TiB₂/TiAl试样图(b)，可以看出微波烧结试样宏观外形完好，无明显的大裂缝，说明了微波烧结试样致密性更优，且传统制备法存在的应力集中现象减弱。图3为真空微波混合烧结炉烧结的10％TiB₂/TiAl试样SEM图，图中深色部分为TiB2增强体颗粒，图4为真空微波混合烧结炉烧结的10％TiB₂/TiAl试样的TEM图，图中白色明亮部分为TiB₂增强体颗粒，从图3和图4可以看出，增强体尺寸处于微纳颗粒级别，且与基体润湿性良好，因而结合强度更高。

实施例2：微波烧结10％(TiC+TiB₂)/TiAl试样

(1)制反应试样 Ti粉、Al粉和B₄C粉的摩尔比为5.3：4.4：0.23，然后将它们置入球磨罐中，以5：1的球粉比，300p.r.m转速球磨混合8h，再以15MPa压力挤压成坯，制成压坯试样；

(3)反应合成设置微波输入功率3000w，升温速率90k/min，至600℃压块发生热爆反应；保温：待试样热爆反应结束后，微波继续作用使试样升温至烧结温度1200℃，保温10分钟后，停止功率输入，炉冷却至200℃后，取出反应试样，得到TiB₂颗粒增强块体材料。

图5为10％(TiC+TiB₂)/TiAl真空电阻炉烧结试样宏观图(a)和10％(TiC+TiB₂)/TiAl微波真空炉烧结试样宏观图(b)，可以看出，传统烧结试样和微波烧结试样的宏观外表面存在差别，微波烧结试样更加完整，紧密，无明显裂缝、疏孔缩松。图6为10％(TiC+TiB₂)/TiAl烧结试样XRD结果图，通过对烧结试样的物相分析，反映出块体在微波场作用下升温并热爆产物为TiC与TiB₂两种增强相和钛铝基体相，证明了该热爆反应法的可行性。图7为10％(TiC+TiB₂)/TiAl烧结试样棒状TiC颗粒TEM图，图中深色棒状物为TiC颗粒，图8为10％(TiC+TiB₂)/TiAl烧结试样六边形TiB₂颗粒TEM图，图中深色背景为TiAl基体，亮白色为TiB₂颗粒，从图7和图8可以看出，两种增强体相都形态完好，尺寸较为均匀细小，为微纳米级，且与基体结合良好，有利于提升该钛铝基复合材料的力学性能，从侧面揭示了微波热爆原位反应法制备的(TiC+TiB₂)/TiAl复合材料性能更加优异的原因。

Claims

1.一种TiB₂/TiAl复合材料的微波热爆原位反应合成方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，第一步中，球粉质量比为5：1，球磨转速为250-300p.r.m，球磨时间为4～8h。

3.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，第二步中，所述的干燥温度为100～110℃，干燥时间为2小时，挤压压力为10～15MPa。

4.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，第三步中，所述的热爆反应发生温度为550～700℃。