專利名稱：一種鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于復合材料科學領域，特別涉及ー種以鐵三鋁金屬間化合物為基體，氮化鈦陶瓷為增強體的復合材料，即鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料及其制備方法。
背景技術：
Fe3Al基金屬間化合物具有良好的高溫強度，優異的抗氧化耐腐蝕性，較小的比重和低廉的成本等優點，有望作為ー種新型的高溫結構材料而受到廣泛重視，然而室溫環境下的脆性和溫度超過600°C時強度急劇下降阻礙了其實際應用。為此許多研究者試圖通過添加第二相來解決成型及應用問題。近年來，人們采取合金化如添加Cr, Mo, Nb, W等 合金元素以及用合適的熱機械處理工藝使Fe3Al合金的室溫塑性和高溫強度得到明顯改善。此外，通過合成陶瓷增強顆粒可以彌補合金的高溫強度低的不足，用反應鑄造法制備了含VC，TiC顆粒的Fe3Al基合金。合金化和陶瓷相的加入在一定程度上改善Fe3Al合金的綜合性能，即使如此，在某些苛刻條件應用仍是現有的材料組成無法滿足的。專利號為200910116604. I的中國專利“鐵三鋁金屬間化合物_ ニ硼化鈦復合材料及制備方法”公開了ー種主要成分為Fe3Al、TiB2的金屬間化合物基復合材料，硬度、抗彎強度和斷裂韌性均有提高，但提高的幅度較小。因此，開發性能更好的復合材料以適應更廣泛的用途非常迫切。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種高強度、高韌性的鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料及其制備方法。本發明所述鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料，由Fe3Al金屬間化合物與氮化鈦制成，其特征是所述復合材料各組分的質量百分比(wt%)為TiN 5-15%，Fe3Al金屬間化合物85-95% ;其中，Fe3Al金屬間化合物中各組分原子百分比是鋁25 30%，余量為鐵。上述的鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料中所述復合材料各組分的質量百分比(wt%)優選為TiN 7-12%，Fe3Al金屬間化合物88-93% ;其中，Fe3Al金屬間化合物中各組分原子百分比是鋁25 28%，余量為鐵。本發明所述鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料的制備方法，步驟是(I)將鐵粉和鋁粉按原子百分比為鋁25 30%、余量為鐵的比例配料，利用球磨過程進行機械合金化，形成主晶相為Fe3Al的金屬間化合物；(2)將Fe3Al金屬間化合物與TiN細粉按質量百分比為TiN 5-15%, Fe3Al金屬間化合物為85-95%的比例配料，然后一起球磨制粉；(3)把球磨后粉體材料裝入石墨模具中，在真空中或用氬氣作保護氣體，以放電等離子體法在850 900°C，壓カ為30 40MPa條件下熱壓燒結，獲得鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料。上述鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料的制備方法中所述熱壓燒結溫度優選是870°c，壓カ優選35MPa。本發明所述鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料還可以按如下方式制備，步驟是(I)將鐵粉和鋁粉按原子百分比為鋁25 30%，余量為鐵的比例配料，再按質量百分比為TiN 85-95%、Fe3Al金屬間化合物為5-15%的比例配料，然后一起球磨制粉；(2)把球磨后粉體材料裝入石墨模具中，在真空中或用氬氣作保護氣體，以放電等離子體法在850 900°C，壓カ為30 40MPa條件下熱壓燒結，得鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料。 本發明公開的鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料的制備方法，可以對增強相和制備方法進行優化選擇，改善鐵三鋁金屬間化合物的綜合性能，硬度可以提高30%，抗彎強度可以提高50%。本發明利用氮化鈦陶瓷的高硬度、高強度優異的特點來彌補金屬間化合物材料的強度不足，生產出了ー種性能價格比合理、性能優良、先進實用的鐵三鋁金屬間化合物復合材料，開辟了金屬間化合物復合材料更廣泛的用途。
具體實施例方式實施例I :制備各組分的質量百分比(wt%)為TiN 5%，Fe3Al金屬間化合物95%的鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料首先，將鐵粉13. I千克、鋁粉81. 9千克于球磨機中球磨50小時，然后加入TiN粉5千克，混合2小時，經真空干燥后用100目篩篩選。裝入石墨模具中壓實，然后連同模具一起移入放電等離子體燒結(SPS)設備中，升溫至850°C，采用30MPa的壓力，保溫20min。燒結后的坯件隨爐冷卻至室溫出爐，脫模，得到組分質量百分比(wt%)為TiN 5%，Fe3Al金屬間化合物95%的鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料。經測試，上述制得的TiN-Fe3Al復合材料硬度為80 (HRC)，抗彎強度為900MPa。實施例2 :制備各組分的質量百分比(wt%)為TiN 10%, Fe3Al金屬間化合物90%的鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料首先，將鐵粉74. 6千克、鋁粉15. 4千克于球磨機中球磨40小時，然后加入TiN粉10千克，混合4小時，經真空干燥后用100目篩篩選。裝入石墨模具中壓實，然后連同模具一起移入放電等離子體燒結(SPS)設備中，升溫至870°C，采用35MPa的壓力，保溫15min。燒結后的坯件隨爐冷卻至室溫出爐，脫模，得到組分質量百分比(wt%)為TiN 10%，Fe3Al金屬間化合物90%的鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料。經測試，上述制得的TiN-Fe3Al復合材料硬度為85 (HRC)，抗彎強度為970MPa。實施例3 :制備鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料將鐵粉71. 6千克、鋁粉13. 4千克和TiN粉15千克同時加入球磨機中球磨70小時，經真空干燥后用100目篩篩選。裝入石墨模具中壓實，然后連同模具一起移入放電等離子體燒結(SPS)設備中，升溫至900°C，采用40MPa的壓力，保溫lOmin。燒結后的坯件隨爐冷卻至室溫出爐，脫模，得到鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料。 經測試，上述制得的TiN-Fe3Al復合材料得硬度為91(HRC)，抗彎強度為lOOOMPa。
權利要求
1.一種鐵三招金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料，由Fe3Al金屬間化合物與氮化鈦制成，其特征是所述復合材料各組分的質量百分比為=TiN 5-15%，Fe3Al金屬間化合物85-95% ;其中，Fe3Al金屬間化合物中各組分原子百分比是鋁25 30%，余量為鐵。
2.如權利要求I所述的鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料，其特征是所述復合材料各組分的質量百分比為=TiN 7-12%，Fe3Al金屬間化合物88-93% ;其中，Fe3Al金屬間化合物中各組分原子百分比是鋁25 28%，余量為鐵。
3.權利要求I所述鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料的制備方法，步驟是 (1)將鐵粉和鋁粉按原子百分比為鋁25 30%、余量為鐵的比例配料，利用球磨過程進行機械合金化，形成主晶相為Fe3Al的金屬間化合物； (2)將Fe3Al金屬間化合物與TiN細粉按質量百分比為TiN5-15%, Fe3Al金屬間化合物為85-95%的比例配料，然后一起球磨制粉； (3)把球磨后粉體材料裝入石墨模具中，在真空中或用氬氣作保護氣體，以放電等離子體法在850 900°C，壓カ為30 40MPa條件下熱壓燒結，獲得鐵三鋁金屬間化合物_氮化鈦陶瓷復合材料。
4.如權利要求3所述鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料的制備方法，其特征是所述熱壓燒結溫度是870°C，壓カ是35MPa。
5.權利要求I所述鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料的制備方法，步驟是 (1)將鐵粉和鋁粉按原子百分比為鋁25 30%，余量為鐵的比例配料，再按質量百分比為TiN 85-95%、Fe3Al金屬間化合物為5-15%的比例配料，然后一起球磨制粉； (2)把球磨后粉體材料裝入石墨模具中，在真空中或用氬氣作保護氣體，以放電等離子體法在850 900°C，壓カ為30 40MPa條件下熱壓燒結，得鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料。
全文摘要
本發明公開了一種鐵三鋁金屬間化合物-氮化鈦陶瓷復合材料，是以TiN、鐵粉、鋁粉為原料，通過機械合金化工藝制備Fe3Al合金粉末材料，然后與TiN細粉球磨混料制粉，在保護氣氛下或在真空條件下熱壓燒結成型制成；其中所述復合材料各組分的質量百分比為TiN 5-15%，Fe3Al金屬間化合物85-95%。本發明利用氮化鈦陶瓷材料高強度、高硬度的特點來彌補金屬間化合物高溫性能的不足，生產出了一種性能價格比合理、性能優良、先進實用的金屬間化合物復合材料，開辟了金屬間化合物復合材料更廣泛的用途。
文檔編號C22C32/00GK102776431SQ20121029705
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月20日 優先權日2012年8月20日
發明者唐新德, 龐來學 申請人:山東交通學院