一种无压烧结-加压致密化制备钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的方法

摘要

本发明公开了一种钛铝碳(Ti3AlC2)颗粒增强锌铝基复合材料的无压烧结-加压致密化制备方法，即“烧结-致密化两步法”。本方法将钛铝碳和锌铝合金的混合粉末在较高的温度烧结后，再在较低的温度进行加压致密化。在较高的温度进行烧结可明显改善钛铝碳增强相与锌铝合金基体之间的界面结合力，而在较低的温度进行加压致密化可避免加压导致锌铝合金液的挤出。采用本发明的方法所制备的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料组织均匀、致密，缺陷少，基体与增强相之间结合紧密，具有良好的物理性能和力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，特指一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的制备方法。更具体地说，本发明涉及一种用“烧结-致密化两步法”来制备钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的方法。 

背景技术

锌铝合金(ZA8、ZA12、ZA22、ZA27等合金系列)具有良好的力学性能和耐磨性能，成本低廉，制作方便，作为一种耐磨密封材料应用广泛，但锌铝合金工作温度低、抗蠕变性差等缺点也在很大程度上限制了它的应用范围。为解决这些问题，进一步扩大其应用领域，采用陶瓷颗粒、晶须和纤维等增强相对锌铝合金进行复合制成锌铝基复合材料正成为研究和开发的热点。与锌铝合金相比，锌铝基复合材料的耐温性能和耐磨性能都有了明显的改善，可替代青铜、黄铜、铝合金等材料，用于制造低速、中温条件使用的轴承、轴套、轴瓦等耐磨密封件，作为一种性能优良的耐磨减摩材料具有很高的经济性。 

目前开发的锌铝基复合材料以加入颗粒增强相为主，包括碳化硅、氧化铝、碳化钛、硅及石墨颗粒等，而制备这些复合材料的主要方法有：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“原位颗粒增强锌基复合材料的制备方法”(申请号200710020458.3)将定量的铝基复合材料浆料加入到锌 或锌铝合金熔体中，并通过缓慢搅拌，制备出Al₂O₃、TiB₂+Al₃Ti等陶瓷颗粒原位增强的锌铝基复合材料。发明专利“原位反应喷射成形制备金属基复合材料方法”(申请号99100510.4)采用熔铸-原位反应雾化喷射成形法制备了铝基、铜基和锌基复合材料。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“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“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。但已制备出的各种锌铝基复合材料普遍存在着一些难以克服的问题，如陶瓷粉末与锌铝合金熔液润湿性差，粉末分布不均，出现团聚等缺陷，显著影响了锌铝基复合材料的推广应用。为克服这些难题，寻找更为适合的颗粒增强相及新的制备方法无疑是一条行之有效的途径。 

钛铝碳(Ti₃AlC₂)是一种三元层状碳化物陶瓷，为M_n+1AX_n化合物族的一种，属于六方晶系。钛铝碳具有类似金属的高导电、导热性，在高温下具有一定塑性，能用高速切削刀具进行机械加工；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。与目前锌铝基复合材料中常用的颗粒增强相相比，钛铝碳作为增强相具有许多独特的优势。首先由其层状结构所致的良好自润滑性有助于提高复合材料耐磨性能，这对 于以耐磨密封件为主要应用方向的锌铝基复合材料来说十分重要；其次钛铝碳的热膨胀系数大(～10×10^-6 K^-1)，介于普通陶瓷和金属之间，使其与锌铝合金之间的热失配小于其它复合体系，材料中的热应力小；再次，钛铝碳晶格中结合能较低的Al原子在高温下可部分脱出，与同样含有Al的锌铝合金基体能形成润湿性良好的界面，因此钛铝碳是一种十分理想的锌铝基复合材料增强相。 

申请人在前期研究工作中，分别采用无压烧结工艺和热压烧结工艺制备出了性能良好的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料，并相应提交了两项专利申请：“一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料及其无压烧结制备方法”(申请号201310520069.2)和“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”(申请号201310520702.8)，目前这两项申请都处于公开阶段。最近，申请人采用“烧结-致密化两步法”制备新工艺得到了性能更为优异的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料，故提出本项专利申请。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料制备方法，以便制备出性能更为优异的颗粒增强锌基复合材料，扩大其应用领域。 

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种制备钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的“烧结-致密化两步法”制备方法，该方法包括如下步骤： 

1)称量钛铝碳和锌铝合金粉，将它们混合配料； 

2)将步骤1)中的混合配料机械合金化、过筛、得到均匀细化的混合粉末； 

3)将步骤2)的混合粉末放入模具中，进行预压成型； 

4)将步骤3)预压成型的坯体及模具放入热压烧结炉中进行无压烧结，保温一段时间后，降温到某一温度后进行加压致密化，保温保压一段时间后冷却出炉，即可制得钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料。 

优选地，步骤2)所述机械合金化采用行星式球磨，机械合金化的条件为：球料比5:1～15:1，转速200～500r/min，球磨时间2～12h。 

优选地，步骤3)和步骤4)所述模具为石墨模具，所述预压成型压强为10～20MPa。 

优选地，步骤4)所述无压烧结的工艺条件为：在氩气或氮气保护下以10～40℃/min的升温速率升至840～900℃，保温0.5～3小时后降温至加压致密化所需温度。 

优选地，步骤4)所述加压致密化的工艺条件为：温度350～500℃，压强20～30MPa，保压时间0.5～3小时。 

本发明所采用的“烧结-致密化两步法”制备工艺可以使锌铝合金基体与钛铝碳增强相在高温下发生轻微反应，明显改善两者之间的界面结合。同时在较低的温度下进行加压致密化可防止锌铝合金挤出，从而得到致密的复合材料块体。与无压烧结工艺相比，本工艺所制备的复合材料致密度高，内部缺陷少；而与热压烧结工艺相比，本工艺所制备的复合材料基体与增强相之间界面结合更好。 

因此，本发明的有益效果是：采用本发明的方法所制备的钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料，颗粒增强相与基体之间结合紧密，材料组织均匀，缺陷少，力学性能高。 

附图说明

图1是实施例1采用两步法制备工艺所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1采用两步法制备工艺所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 

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。 

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：Zn 72.31％、Al 27.47％、Fe 0.09％、Si 0.10％、其它0.03％。 

将ZA27合金粉与钛铝碳粉按照7:3的体积比配料，称取ZA27粉29.34g，钛铝碳粉10.66g，放入行星球磨机中，按球料比为10:1，转速300r/min，球磨混合3小时，冷却后过80目筛；将混合粉放入石墨模具中，在20MPa压强下预压成型，再将成型后的坯体连同模 具一起放入热压烧结炉中，在氮气保护下先进行无压烧结，以30℃/min的升温速率升至850℃，保温2小时，然后降温至500℃，缓慢加压至30MPa，保温保压1小时后冷却，制得钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料。 

所制备30vol％Ti₃AlC₂/ZA27复合材料的力学性能为：弯曲强度510MPa，抗拉强度300MPa，维氏硬度108HV。 

实施例2 

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。 

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：Zn 72.31％、Al 27.47％、Fe 0.09％、Si 0.10％、其它0.03％。 

将ZA27合金粉与钛铝碳粉按照8:2的体积比配料，称取ZA27粉33.0g，钛铝碳粉7.0g，放入行星球磨机中，按球料比为15:1，转速400r/min，球磨混合2小时，冷却后过80目筛；将混合粉放入石墨模具中，在10MPa压强下预压成型，再将成型后的坯体连同模具一起放入热压烧结炉中，在氩气保护下先进行无压烧结，以20℃/min的升温速率升至870℃，保温1小时，然后降温至430℃，缓慢加压至25MPa，保温保压2.5小时后冷却，制得钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料。 

所制备20vol％Ti₃AlC₂/ZA27复合材料的力学性能为：弯曲强度 550MPa，抗拉强度323MPa，维氏硬度117HV。 

实施例3 

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。 

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：Zn 72.31％、Al 27.47％、Fe 0.09％、Si 0.10％、其它0.03％。 

将ZA27合金粉与钛铝碳粉按照7:3的体积比配料，称取ZA27粉29.34g，钛铝碳粉10.66g，放入行星球磨机中，按球料比为10:1，转速250r/min，球磨混合6小时，冷却后过80目筛；将混合粉放入石墨模具中，在15MPa压强下预压成型，再将成型后的坯体连同模具一起放入热压烧结炉中，在氮气保护下先进行无压烧结，以25℃/min的升温速率升至890℃，保温1小时，然后降温至480℃，缓慢加压至30MPa，保温保压1.5小时后冷却，制得钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料。 

所制备30vol％Ti₃AlC₂/ZA27复合材料的力学性能为：弯曲强度570MPa，抗拉强度335MPa，维氏硬度120HV。 

实施例4 

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。 

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：Zn 91.73％、Al 7.95％、Fe0.19％、Si 0.10％、其它0.03％。 

将ZA8合金粉与钛铝碳粉按照6:4的体积比配料，称取ZA8粉27.59g，钛铝碳粉12.41g，放入行星球磨机中，按球料比为10:1，转速400r/min，球磨混合3小时，冷却后过100目筛；将混合粉放入石墨模具中，在20MPa压强下预压成型，再将成型后的坯体连同模具一起放入热压烧结炉中，在氮气保护下先进行无压烧结，以35℃/min的升温速率升至870℃，保温1.5小时，然后降温至450℃，缓慢加压至28MPa，保温保压2小时后冷却，制得钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料。 

所制备40vol％Ti₃AlC₂/ZA8复合材料的力学性能为：弯曲强度464MPa，抗拉强度258MPa，维氏硬度105HV。 

图1是实施例1采用两步法制备工艺所制备的30vol％Ti₃AlC₂/ZA27复合材料的表面微观形貌图。图中，灰色的块体为钛铝碳颗粒增强相，条纹状部分为Zn-Al共析组织，即锌铝合金基体，可见钛铝碳增强颗粒均匀分布在锌铝基体中，两者之间结合紧密，材料中缺陷很少。 

图2是实施例1采用两步法制备工艺所制备的30vol％Ti₃AlC₂/ZA27复合材料的断口微观形貌图。由图可见，细小的钛铝碳颗粒被锌铝合金基体紧紧包裹着，断裂并未使增强颗粒脱落，说明两者间界面结合紧密。