一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料及其热压烧结制备方法

摘要

本发明公开了一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料，所述复合材料包含如下体积百分数的原料：5～50%钛铝碳，余量为锌铝合金。本发明提供的复合材料中颗粒增强相分布均匀，基体与增强相之间结合紧密，缺陷少，具有良好的物理性能和力学性能。本发明还公开了制备上述钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的热压烧结制备方法。

说明书

技术领域

本发明涉及金属基复合材料及其制备领域，特别涉及一种钛铝碳颗粒增 强锌铝基复合材料及其热压烧结制备方法。

背景技术

锌铝合金（ZA8、ZA12、ZA22、ZA27等合金系列）具有优良的力学性能、 铸造性能、机械加工性能及摩擦磨损性能，同时原材料成本低、熔化能耗小， 现已在很多场合成功地替代青铜、黄铜、铝合金等材料，在轴承、轴套、轴 瓦等耐磨密封件方面得到了广泛的应用。但由于锌的熔点低（419.5℃）， 使得锌铝合金的共晶温度低，凝固区间大，实际固相点大致在380℃左右， 因而合金只能在低于100℃的情况下使用，在100℃以上时其抗拉强度和蠕 变强度显著降低。而在实际摩擦磨损过程中，由于润滑不良及高速运转，摩 擦副的温升有时高达150℃甚至200℃以上，这显然会严重恶化锌铝合金的 使用性能，使其应用范围和使用寿命受到很大的限制。

为了提高锌铝合金的使用温度和性能，满足苛刻条件下的使用需求，从 上世纪80年代开始，发展了多种以陶瓷颗粒、晶须或纤维为增强相的锌铝 基复合材料，改善了锌铝合金的高温力学性能，也同时提高了材料的室温强 度和耐磨性，并降低了锌铝合金过高的热膨胀系数。其中颗粒增强锌铝基复 合材料工艺简单、成本较低，是锌铝基复合材料研究与开发的重点。目前用 于强化锌铝合金的陶瓷颗粒增强相包括氧化铝、碳化硅、碳化钛、硅以及石 墨等。复合材料制备工艺有熔体搅拌铸造法、喷射成型法、粉末热锻法、叠 层复合法和原位生成复合法等。例如发明专利“喷射沉积纳米颗粒增强锌基 复合材料及其制备方法”（申请号201010557276.1）采用喷射沉积技术制 备了纳米碳化钛颗粒增强的锌铝基复合材料；发明专利“一种硅颗粒增强锌 基复合材料的制备方法”（申请号200810155784.X）采用熔体浇注法制备 了硅颗粒增强的锌基复合材料；发明专利“一种陶瓷粉末增强锌铝合金基复 合材料的制备方法”（申请号201110341289.X）采用粉末热锻法制备了碳 化硅、氧化铝、氧化锆等陶瓷颗粒增强的锌铝基复合材料；发明专利“原位 颗粒增强锌基复合材料的制备方法”（申请号200710020458.3）采用熔体 浇注法制备了Al₂O₃、TiB₂+Al₃Ti等陶瓷颗粒原位增强的锌铝基复合材料；发 明专利“钛酸钾晶须增强锌铝合金复合材料及其制造方法”（申请号 98113701.6）采用熔体挤压复合法制备了钛酸钾晶须增强的锌铝基复合材 料。

然而到目前为止，锌铝基复合材料仍处于研究开发阶段，远未达到工业 化生产应用程度，其主要原因在于复合材料中所用的这些颗粒增强相与合金 基体之间润湿性差、颗粒表面易于吸附气体导致材料内部产生缺陷、以及颗 粒与基体之间因热膨胀系数差异大而造成界面脱开等，这些问题导致颗粒在 基体中的割裂作用明显，增强效果被削弱，从而显著影响了锌铝基复合材料 的推广应用。为突破锌铝基复合材料发展的这一瓶颈，寻找更为适合的颗粒 增强相无疑是一条行之有效的途径。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种钛铝碳颗粒增强锌铝基 复合材料，该材料中颗粒增强相分布均匀，基体与增强相之间结合紧密，缺 陷少，具有良好的物理性能和力学性能。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复 合材料的热压烧结制备方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种钛铝碳 颗粒增强锌铝基复合材料，所述复合材料包含如下体积百分数的原料：5～50% 钛铝碳，余量为锌铝合金。

优选地，所述钛铝碳为粒度在0.5～20μm的颗粒，其纯度大于90%；所 述锌铝合金为粒度100～400目的粉末。

为解决上述第二个技术问题，本发明提供了该钛铝碳颗粒增强锌铝基复 合材料的热压烧结制备方法，该方法包括如下步骤：

1)将钛铝碳粉和锌铝合金粉称量配料；

2)将步骤1)称量的两种粉球磨混合6～48小时；

3)将步骤2)的混合粉末放入模具中，进行热压烧结，得到钛铝碳颗粒 增强锌铝基复合材料。

优选地，步骤2)所述球磨采用滚筒球磨法。

优选地，步骤3)所述模具为石墨模具。

优选地，步骤3)所述热压烧结的条件为：在真空、氮气或氩气气氛保 护下，以10～40℃/min的升温速率升至430～500℃，在10～30MPa压强下， 热压烧结0.5～3小时。

本发明所采用的颗粒增强相钛铝碳（Ti₃AlC₂）是一种三元层状碳化物陶 瓷，它既具有类似金属的高导电、导热性、高温塑性和可机械加工性，同时 又具有陶瓷的高弹性模量、低密度、高热稳定性和良好的抗氧化性能；而且 具有自润滑性和优异的摩擦学性能。钛铝碳属六方晶系，其晶体结构中共棱 的Ti-C八面体被一个Al原子平面层所分隔，C原子位于Ti八面体中心， Ti原子与C原子之间的结合为强共价键，而Ti原子与Al原子层之间的结 合为类似于石墨层间的弱结合。钛铝碳的这些特点使其在作为锌铝基复合材 料的颗粒增强相时具有以下独特的优势：

1)界面相容性好:钛铝碳晶体中弱结合的Al原子层在高温下可部分脱 出进入金属基体中，由于基体本身含有Al，对从Ti₃AlC₂中脱出的Al有较好 的亲和性，这有利于改善基体与增强相之间的润湿性，从而获得较理想的界 面。Al原子的脱出量与温度密切相关，由于锌基复合材料的制备温度较低， Al的脱出量较少，但仍足以对两者的界面产生有利的影响。

2)有利于提高耐磨性:Al原子弱结合层的存在使得钛铝碳在外力作用 下易于沿Al原子层脱开，因而具有优异的自润滑性，这对用作耐磨材料的 锌铝基复合材料十分有利，尤其是在较恶劣的摩擦环境下，其作用将更为突 出。

3)热膨胀系数匹配:钛铝碳的热膨胀系数（～10×10^-6K^-1）介于普通陶 瓷和金属之间，比其它陶瓷增强相更接近于金属，因而其与锌合金之间的热 失配小于其它复合体系，在复合材料温度变化时，材料内的热应力更小，性 能更稳定。

由此可见，选用钛铝碳颗粒来增强锌铝合金，是解决目前锌铝基复合材 料中基体与增强相之间界面结合不佳这一难题的恰当方法。

本发明的有益效果是：

1)本发明的复合材料中钛铝碳颗粒增强相分布均匀，基体与增强相之 间结合紧密，缺陷少。

2)利用热压烧结工艺制备钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料，可使材料 接近完全致密，如图1和图2所示，复合材料的物理性能和力学性能优良。

附图说明

图1是实施例2热压烧结工艺制备的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的 表面微观形貌图；

图2是实施例2热压烧结工艺制备的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的 断口微观形貌图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进一步加以说明。

实施例1

1.钛铝碳粉：本实施例中所用钛铝碳粉纯度为95%，平均粒径7.39μm。

2.锌铝合金粉：本实施例中所用锌铝合金为市售ZA8合金粉，粉末粒度 为200目，其质量百分比成分如下：Zn91.73%、Al7.95%、Fe0.19%、Si0.10%、 其它0.03%。

3.将ZA8合金粉与钛铝碳粉按照6:4的体积比配料，称取ZA8粉68.98g， 钛铝碳粉31.02g，放入球磨罐中滚筒球磨24h，称取混合粉料30g放入石墨 模具中，在8MPa压强下预压成型，将模具放入流动氩气保护的热压炉中， 以30℃/min的速率升温至460℃，在25MPa的压强下保温60min。

所制备40vol%Ti₃AlC₂/ZA8复合材料的力学性能为：弯曲强度159MPa， 维氏硬度110HV。

实施例2

1.钛铝碳粉：本实施例中所用钛铝碳粉纯度为95%，平均粒径7.39μm。

2.锌铝合金粉：本实施例中所用锌铝合金为市售ZA8合金粉，粉末粒度 为200目，其质量百分比成分如下：Zn91.73%、Al7.95%、Fe0.19%、Si0.10%、 其它0.03%。

3.将ZA8合金粉与钛铝碳粉按照7:3的体积比配料，称取ZA8粉77.57g， 钛铝碳粉22.43g，放入球磨罐中混筒球磨48h，称取混合粉料31g放入石墨 模具中，在8MPa压强下预压成型，将模具放入流动氮气保护的热压炉中， 以40℃/min的速率升温至490℃，在30MPa的压强下保温120min。

所制备30vol%Ti₃AlC₂/ZA8复合材料的力学性能为：弯曲强度316MPa， 维氏硬度105HV。

实施例3

1.钛铝碳粉：本实施例中所用钛铝碳粉纯度为92%，平均粒径12.52μm。

2.锌铝合金粉：本实施例中所用锌铝合金为市售ZA8合金粉，粉末粒度 为200目，其质量百分比成分如下：Zn91.73%、Al7.95%、Fe0.19%、Si0.10%、 其它0.03%。

3.将ZA8合金粉与钛铝碳粉按照8:2的体积比配料，称取ZA8粉85.57g， 钛铝碳粉14.43g，放入球磨罐中混筒球磨36h，称取混合粉料32g放入石墨 模具中，在8MPa压强下预压成型，将模具放入流动氩气保护的热压炉中， 以20℃/min的速率升温至440℃，在15MPa的压强下保温180min。

所制备20vol%Ti₃AlC₂/ZA8复合材料的力学性能为：弯曲强度320MPa， 维氏硬度88HV。

实施例4

1.钛铝碳粉：本实施例中所用钛铝碳粉纯度为92%，平均粒径12.52μm。

2.锌铝合金粉：本实施例中所用锌铝合金为市售ZA8合金粉，粉末粒度 为200目，其质量百分比成分如下：Zn91.73%、Al7.95%、Fe0.19%、Si0.10%、 其它0.03%。

3.将ZA8合金粉与钛铝碳粉按照9:1的体积比配料，称取ZA8粉93.03g， 钛铝碳粉6.97g，放入球磨罐中混筒球磨12h，称取混合粉料33g放入石墨 模具中，在8MPa压强下预压成型，将模具放入热压炉中，在真空条件下以 10℃/min的速率升温至450℃，在25MPa的压强下保温60min。

所制备10vol%Ti₃AlC₂/ZA8复合材料的力学性能为：弯曲强度259MPa， 维氏硬度74HV。

实施例5

1.钛铝碳粉：本实施例中所用钛铝碳粉纯度为97%，平均粒径4.21μm。

2.锌铝合金粉：本实施例中所用锌铝合金为市售ZA12合金粉，粉末粒 度为400目，其质量百分比成分如下：Zn88.33%、Al11.47%、Fe0.07%、 Si0.10%、其它0.03%。

3.将ZA12合金粉与钛铝碳粉按照8:2的体积比配料，称取ZA12粉 84.98g，钛铝碳粉15.02g，放入球磨罐中混筒球磨24h，称取混合粉料31g 放入石墨模具中，在10MPa压强下预压成型，将模具放入流动氩气保护的热 压炉中，以25℃/min的速率升温至440℃，在30MPa的压强下保温60min。

所制备20vol%Ti₃AlC₂/ZA12复合材料的力学性能为：弯曲强度243MPa， 维氏硬度83HV。

实施例6

1.钛铝碳粉：本实施例中所用钛铝碳粉纯度为97%，平均粒径4.21μm。

2.锌铝合金粉：本实施例中所用锌铝合金为市售ZA27合金粉，粉末粒 度为300目，其质量百分比成分如下：Zn72.31%、Al27.47%、Fe0.09%、 Si0.10%、其它0.03%。

3.将ZA27合金粉与钛铝碳粉按照8:2的体积比配料，称取ZA27粉 82.50g，钛铝碳粉17.50g，放入球磨罐中混筒球磨36h，称取混合粉料30g 放入石墨模具中，在8MPa压强下预压成型，将模具放入流动氮气保护的热 压炉中，以20℃/min的速率升温至460℃，在25MPa的压强下保温90min。

所制备20vol%Ti₃AlC₂/ZA27复合材料的力学性能为：弯曲强度339MPa， 维氏硬度117HV。

本发明所用钛铝碳粉的主要杂质为碳化钛，从理论上来说，碳化钛的存 在对复合材料的性能会有一定的影响，但由于其含量较少，从实际结果来看， 对复合材料性能的影响不大。

图1是实施例2热压烧结工艺制备的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的 表面微观形貌图。从图中可以看出，复合材料中包含3种特征明显的微观组 织，其中颜色较浅的部分为Zn固溶体相，条纹状部分为Zn-Al共析组织， 而颜色较深的块体为Ti₃AlC₂增强相。图中可见Ti₃AlC₂颗粒均匀分布在锌铝 合金基体中，两者之间界面结合良好，同时复合材料中有少量气孔存在。

图2是实施例2热压烧结工艺制备的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的 断口微观形貌图。由图可见，钛铝碳颗粒增强相以穿晶断裂方式为主，说明 其与锌铝合金基体结合良好。