-SiC相協同增強Ni基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料科學與工程領域，具體涉及一種Ti3AlC2-SiC相協同增強Ni基復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]Ni基高溫合金具有熱穩定性好、高溫強度和硬度高、耐腐蝕、抗磨損等特點，由于它的最高使用溫度比鐵基、鈷基高溫合金高出150?200°C左右，因此廣泛地用于制作渦輪盤等發動機關鍵部件。隨著現代工業的發展，由于渦輪盤等工作溫度的進一步提高，要求合金具有更好的高溫強度和工作溫度。目前，第二相強化已成為一種有效手段。通過第二相強化使合金的強度和硬度提高，已使用的陶瓷增強相有SiC纖維、A1203顆粒、WC顆粒、Y203顆粒等。
[0003]Ti3AlC2三元碳化物兼具金屬和陶瓷的雙重優異性能，熔點高，室溫導熱和導電性能好，楊氏模量和剪切模量高，熱穩定性好，耐腐蝕，抗氧化性能好，可機械加工，高溫還具有塑性。最令人不可思議的是，耐磨性和自潤滑性非常突出，受到了研究者的廣泛關注，成為Ni基高溫合金較為理想的增強相。
[0004]SiC陶瓷不僅具有優異的常溫力學性能，如高的抗彎強度、優良的抗氧化性、良好的耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦系數，而且高溫力學性能(強度、抗蠕變性能等)非常高，常作為增強相用于改善其它陶瓷或金屬的性能。但是目前為止，還沒有研究者利用核殼結構Ti3AlC2-SiC顆粒協同增強Ni基復合材料的相關報道。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種Ti3AlC2_SiC相協同增強Ni基復合材料及其制備方法，該方法充分發揮了 Ti3AlC2和SiC的優勢，能夠提高Ni基高溫合金的綜合性能，且制備工藝簡單易行，燒結溫度低，制備成本低。
[0006]為達到上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0007 ] 一種T i 3A1 C2_S i C相協同增強Ni基復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0008]1)按質量比為1:1?1:10將SiC粉和Ti3Al(^^混合后裝入球磨罐中，干法球磨10?30h，得到以SiC為核、Ti3AlC2為殼的核殼結構Ti3AlC2-SiC粉體；
[0009]2)按質量分數計，將5?50%的核殼結構Ti3AlC2_SiC粉體與50?95%的Ni粉混合后裝入球磨罐中，濕法球磨30?90min，然后對球磨產物進行干燥處理，得到復合粉體；
[0010]3)將復合粉體裝入模具中進行真空熱壓燒結固化，設置壓力為10?30MPa，從室溫升溫至900°C?1150°C的燒結溫度，保溫0?60min，然后隨爐自然冷卻，即得到Ti3AlC2_SiC相協同增強Ni基復合材料。
[0011 ] 所述步驟1)中球磨時的球料比為6:1?10:1，球磨機轉速為500?900r/min。
[0012]所述步驟2)中球磨時的球料比為3:1?5:1，球磨助劑為乙醇，球磨機轉速為200?500r/mino
[0013]所述步驟1)和步驟2)中使用的球磨罐為不銹鋼球磨罐，使用的磨球為不銹鋼磨球，使用的球磨機為行星式球磨機。
[0014]所述步驟3)中的升溫速率為8?10°C/min。
[0015]制得的Ti3AlC2_SiC相協同增強Ni基復合材料中增強相均勻分布在基體相中，其中Ni為基體相，Ti3AlC2-SiC相為增強相，且Ti3AlC2-SiC相呈以SiC為核、Ti3AlC2為殼的核殼結構。
[0016]該復合材料的彎曲強度為1059.17?1101.36MPa，斷裂韌性為22.14?27.92MPa.m1/2。
[0017]相對于現有技術，本發明的有益效果為:
[0018]本發明提供的Ti3AlC2_SiC相協同增強Ni基復合材料的制備方法，首先將SiC粉和Ti3AlC2粉進行干法高能球磨，形成Ti3AlC2-SiC核殼結構，然后與Ni粉經濕法球磨混合均勻，干燥后進行真空熱壓燒結，得到Ti3AlC2-SiC相協同增強Ni基復合材料。本發明的優點在于，通過對高強高硬度的SiC粉和高熱穩定性及抗氧化能力較強的柔性導電Ti3AlC2粉進行干法高能球磨，獲得以SiC為核、Ti3AlC2為殼的核殼結構Ti3AlC2-SiC粉體，用于增強Ni基合金，既不會降低Ni基合金的導電性，又能充分發揮Ti3AlC2和SiC的優點，Ti3AlC2導電性強不會影響Ni基合金的導電性能，還可發揮其增韌效果，SiC高強高硬可大大提高Ni基合金的強度和硬度，可實現Ni基復合材料性能的進一步改善。且該方法制備工藝簡單，易于操作，燒結溫度低，制備成本低，適合制造需要高強度、高耐磨、耐高溫的零部件。
[0019]本發明制得的Ti3AlC2_SiC相協同增強Ni基復合材料具有優于其各組分性能的整體優異性能，具有高強度、高韌性等顯著特點，并且由于其固有的核殼結構而使其性能的可控性強，可滿足現代工業對高溫合金具有更高的高溫強度和工作溫度的苛刻要求，有望用于制造航空噴氣發動機及各種工業燃氣機的最熱端部件，在航空航天、交通運輸、機械制造等工業領域展示出廣泛的應用前景。
[0020]進一步的，經過實驗證實，本發明制得的Ti3AlC2_SiC相協同增強Ni基復合材料，其彎曲強度高達1059.17?1101.36MPa，斷裂韌性高達22.14?27.92MPa.m1/2，遠高于一般的陶瓷增強Ni基合金的強度和韌性。
【附圖說明】
[0021]圖1為實施例1制備的Ti3AlC2_SiC相協同增強Ni基復合材料的光學顯微照片。
[0022]圖2為實施例2制備的Ti3AlC2_SiC相協同增強Ni基復合材料的光學顯微照片。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0024]實施例1
[0025]1)將SiC/Ti3AlC2(質量比)為1:1的混合粉裝入不銹鋼球磨罐中，不銹鋼磨球/混合粉(質量比)8:1，抽真空后采用行星式球磨機干法高能球磨10h，球磨機轉速為600r/min，獲得核殼結構Ti3AlC2-SiC粉體。
[0026]2)稱取質量分數為10%的SiC-Ti3AlC2粉體與90%的Ni粉體裝入不銹鋼球磨罐中，不銹鋼磨球/混合粉(質量比)3:1，以乙醇為球磨助劑，濕法球磨30min，球磨機轉速為200r/min，使粉體混合均勻，然后進行低溫干燥處理，得到復合粉體。
[0027]3)將干燥后的復合粉體裝入模具中，進行真空熱壓燒結固化，以10°C/min的升溫速率從室溫升溫至1000°C的燒結溫度，保溫30min，此過程中施加的壓力為25MPa，然后隨爐自然冷卻，即得到Ti3AlC2-SiC相協同增強Ni基復合材料。
[0028]圖1為實施例1制備的Ti3AlC2_SiC相協同增強Ni基復合材料的光學顯微照片，由圖1可見，制得的Ti3AlC2-SiC相協同增強Ni基復合材料結構致密，增強相顆粒細小并呈彌散分布在基體相中。
[0029]采用三點彎曲法測量實施例1制備的Ti3AlC2_SiC相協同增強Ni基復合材料的彎曲強度為1101.36MPa，采用三點彎曲單邊切口梁法(SENB)測量其斷裂韌性為27.92MPa.πι1/2。
[0030]實施例2
[0031]1)將SiC/Ti3AlC2(質量比)為1:2的混合粉裝入不銹鋼球磨罐中，不銹鋼磨球/混合粉(質量比)8:1，抽真空后采用行星式球磨機干法高能球磨10h，球磨機轉速為600r/min，獲得核殼結構Ti3AlC2-SiC粉體。
[0032]2)稱取質量分數為15%的SiC-Ti3AlC2粉體與85%的Ni粉體裝入不銹鋼球磨罐中，不銹鋼磨球/混合粉(質量比)3:1，以乙醇為球磨助劑，濕法球磨30min，球磨機轉速為200r/min，使粉體混合均勻，然后進行低溫干燥處理，得到復合粉體。
[0033]3)將干燥后的復合粉體裝入模具中，進行真空熱壓燒結固化，以10°C/min的升溫速率從室溫升溫至1000°C的燒結溫度，保溫30min，此過程中施加的壓力為25MPa，然后隨爐自然冷卻，即得到Ti3AlC2-SiC相協同增強Ni基復合材料。
[0034]圖2為實施例2制備的Ti3AlC2_SiC相協同增強Ni基復合材料的光學顯微照片，由圖2可見，制得的Ti3AlC2-SiC相協同增強Ni基復合材料結構致密，增強相含量明顯增多，增強相在基體相中的分布較為均勻，但含量增大后團聚現象會加劇。
[0035]采用三點彎曲法測量實施例2制備的Ti3AlC2_SiC相協同增強Ni基復合材料的