呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及tial复合材料技术领域，具体的说是呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料及其制备方法。
背景技术：2.tial合金由于其优异的高比强度、良好的抗氧化性和蠕变抗力，成为航空航天轻质高温结构的重要备选材料。tial合金组织在高温长时服役条件下的稳定程度以及组织演化对其高温力学性能有重要的影响，因此tial合金组织及高温性能的热稳定性受到广泛关注。目前，tial合金因在800℃以上存在高温强度不足以及热稳定性差等缺点，限制了其在工程领域的广泛应用。
3.研究表明，tial合金在高温长期热暴露的状态下其显微组织将会发生明显的变化，将会引起片层组织的连续粗化、不连续粗化或者形成等轴晶粒。tial合金细小的全片层组织具有较高的强度、断裂韧性和优良的抗蠕变性能，其在高温条件下的组织稳定性直接影响到合金的高温力学性能，决定了能否长期在高温环境中的服役。片层组织在高温和应力作用下易发生晶界的不连续粗化、晶界软化、晶内片层组织的连续粗化、退化或分解以及动态再结晶过程都将会导致其高温性能的下降。
4.tial合金高温强度不足及热稳定性差的主要原因是高温条件下晶界软化和基体片层组织的粗化。国内外的研究学者主要利用复合化技术成功地制备出多种第二相来增强tial基体合金。近年来，三元层状化合物max相被深入研究，其中ti2alc作为max相家族成员之一，它既像金属一样拥有优良的导电、导热、耐热震等性能；又兼具陶瓷材料一样拥有高熔点、高强度、热稳定性等性能；并且其热膨胀系数和密度与tial合金匹配良好；在tial基体中原位形成ti2alc增强相，有望成为集高强、热稳定性于一体的复合材料。
技术实现要素：5.为了解决现有技术中的不足，本发明提供呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料及其制备方法，通过本发明的制备方法制备的复合材料能够有效提高tial合金的服役温度和高温强度。
6.为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料的制备方法，主要包括如下步骤：一、将ti-48al-2cr-2nb预合金球形粉末与单层石墨烯纳米片加入球磨罐中，添加无水乙醇，在惰性气体的保护下进行低能球磨，即得到单层石墨烯纳米片包覆tial复合粉末，该复合粉末的名义成分为ti-48al-2cr-2nb-2.5c(at%)；二、将步骤一得到的单层石墨烯纳米片包覆tial复合粉末置于石墨模具中，通过放电等离子烧结，得到增强相呈网状分布的ti2alc/tial复合块体；三、将步骤二得到的ti2alc/tial复合块体置于真空热处理炉中进行热处理，并随炉冷却至室温，即得到呈网状-片层两级结构的ti2alc/tial复合材料。
7.进一步地，步骤一所选用的单层石墨烯纳米片的制备方法为：（1）、将石墨烯纳米片添加到有机分散剂中，超声分散均匀，得到单层分散且无团聚的石墨烯溶液；（2）、将石墨烯溶液置于真空干燥箱中在60℃～100℃的温度下干燥2.5h～3.5h，即得到单层石墨烯纳米片。
8.进一步地，步骤（1）中所选用的石墨烯纳米片的厚度为3～10nm，片径为5～10μm。
9.进一步地，步骤一所选用的ti-48al-2cr-2nb预合金球形粉末是通过惰性气体雾化技术或等离子旋转电极雾化技术制备的，其纯度为99.99％，平均粒径为150～180μm。
10.进一步地，步骤一中低能球磨采用的是搅拌式球磨机，以氧化锆球作为球磨介质，球径为5mm，球料比为20：1，球磨转速为100～120r/min，球磨时间为8～10h。
11.进一步地，步骤二中，放电等离子烧结工艺的具体参数为：以100℃/min的升温速率升温至1200℃并保温10min，烧结压力为45mpa，真空度为2.5
×
10-2
～2.1
×
10-1
pa。
12.进一步地，步骤三中，真空度为3.2
×
10-2
～1.5
×
10-1
pa，热处理温度为1380～1400℃，保温时间为1h。
13.呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料，其是通过上述制备方法得到的。
14.进一步地，所述ti2alc/tial复合材料呈网状-片层两级结构：通过放电等离子烧结工艺在基体的晶界处原位构筑一级网状ti2alc结构，通过真空热处理工艺在α
2-ti3al/γ-tial片层基体的相界处脱溶析出纳米片层ti2alc，α
2-ti3al/γ-tial片层基体和纳米片层ti2alc共同构成二级片层结构。
15.进一步地，一级网状ti2alc结构的平均网格尺寸为100～180μm；在α
2-ti3al/γ-tial片层基体中，片层晶团平均尺寸150μm左右，平均片层间距为150～200nm，纳米片层ti2alc的厚度为2～5nm。
16.本发明中在基体晶界处引入原位自生ti2alc网状增强相克服高温条件下的晶界软化；因tial基体中细小的全片层组织具有较好的高温性能，故将复合材料基体组织通过热处理调控为α
2-ti3al/γ-tial片层结构，同时利用固溶和脱溶析出原理，在α
2-ti3al/γ-tial片层基体的相界处靶向引入纳米片层ti2alc，能够有效抑制tial基复合材料的片层粗化，减小层片间距，提高片层结构的热稳定性。该纳米片层ti2alc对基体组织内部以及基体界面上的位错的钉扎也具有明显的作用，能够显著的提高tial基体的高温强度。
17.有益效果：本发明通过低能球磨工艺，使石墨烯纳米片均匀包覆在ti-48al-2cr-2nb预合金球形粉末表面，采用放电等离子烧结工艺，调控出一级网状ti2alc组织结构克服晶界软化；接着采用热处理手段，调控出α
2-ti3al/γ-tial片层基体组织并在α
2-ti3al/γ-tial片层基体相界处靶向引入的纳米片层ti2alc，其中纳米片层ti2alc能够抑制α
2-ti3al/γ-tial片层基体基体的粗大和热稳定性不足的缺点。
附图说明
18.图1是本发明制备工艺流程示意图。
19.图2是本发明制备过程示意图。
20.图3是实施例2中步骤四制备的烧结块体与步骤五制备的复合材料的xrd图谱。
21.图4是实施例2中步骤四制备的烧结块体的显微组织图。
22.图5是实施例2中步骤五制备的复合材料显微组织图。
具体实施方式
23.下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
24.需要说明的是，本发明中“网-层结构”与“网状-片层两级结构”的含义一致，均表示复合材料具有一级网状结构和二级层状结构。
25.呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料的制备方法，请参考图1和图2，主要包括如下步骤：一、将厚度为3～10nm，片径为5～10μm的石墨烯纳米片添加到有机分散剂（如无水乙醇、丙酮）中，在超声功率为200w的条件下超声分散1h～2h，得到单层分散、无团聚的石墨烯溶液；将石墨烯溶液置于真空干燥箱中在60℃～100℃的温度下干燥2.5h～3.5h，即得到单层石墨烯纳米片；二、通过惰性气体雾化技术或等离子旋转电极雾化技术制备ti-48al-2cr-2nb预合金球形粉末，所制备的ti-48al-2cr-2nb预合金球形粉末的纯度为99.99％、平均粒径为150~180μm；三、将ti-48al-2cr-2nb预合金球形粉末与单层石墨烯纳米片加入球磨罐中，添加无水乙醇，在惰性气体的保护下进行低能球磨，采用搅拌式球磨机进行低能球磨，以氧化锆球作为球磨介质，球径为5mm，球料比为20：1，球磨转速为100～120r/min，球磨时间为8～10h，即得到单层石墨烯纳米片包覆tial复合粉末，该复合粉末的名义成分为ti-48al-2cr-2nb-2.5c(at%)；四、将步骤三得到的单层石墨烯纳米片包覆tial复合粉末置于石墨模具中，通过放电等离子烧结，以100℃/min的升温速率升温至1200℃并保温10min，烧结压力为45mpa，真空度为2.5
×
10-2
～2.1
×
10-1
pa，得到ti2alc/tial复合块体，基体为等轴近γ组织；五、将步骤四得到的ti2alc/tial复合块体置于真空热处理炉中进行热处理，其中热处理温度为1380~1400℃、保温时间1h、真空度为3.2
×
10-2～1.5
×
10-1pa，即得到呈网状-片层两级结构的ti2alc/tial复合材料，基体组织由上述的等轴近γ组织生成细小的全片层组织，并在α
2-ti3al/γ-tial片层基体相界处脱溶析出纳米片层ti2alc。
26.通过上述方法制备的ti2alc/tial复合材料呈网状-片层两级结构：通过放电等离子烧结工艺在基体的晶界处原位构筑一级网状ti2alc结构，通过真空热处理工艺生成α
2-ti3al/γ-tial片层基体，并在α
2-ti3al/γ-tial片层基体的相界处脱溶析出纳米片层ti2alc，α
2-ti3al/γ-tial片层基体和纳米片层ti2alc共同构成二级片层结构。
27.其中，一级网状ti2alc结构的平均网格尺寸为100～180μm；在α
2-ti3al/γ-tial片层基体中，片层晶团平均尺寸150μm左右，平均片层间距为150～200nm，纳米片层ti2alc的厚度为2～5nm。
28.其中，ti-48al-2cr-2nb预合金粉末中除包含ti元素和al元素外，还含有能够有效
提高合金力学性能的cr元素和nb元素，且cr元素和nb元素并不影响网状-片层两级结构的ti2alc/tial复合材料的设计与制备。
29.实施例1呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料的制备方法，具体步骤如下：一、将厚度为3～10nm，片径为5～10μm的石墨烯纳米片添加到分散剂中，在超声功率为200w的条件下超声分散1h，得到单层分散、无团聚的石墨烯溶液；将石墨烯溶液置于真空干燥箱中在60℃的温度下干燥2.5h，即得到单层石墨烯纳米片；二、通过惰性气体雾化技术制备纯度为99.99％、平均粒径为180μm的ti-48al-2cr-2nb预合金球形粉末，三、将40g的ti-48al-2cr-2nb预合金球形粉末与0.3g单层石墨烯纳米片加入球磨罐中，添加6ml无水乙醇，在惰性气体的保护下，采用搅拌式球磨机进行低能球磨，以氧化锆球作为球磨介质，球径为5mm，球料比为20：1，球磨转速为100r/min，球磨时间为10h，即得到单层石墨烯纳米片包覆tial复合粉末，单层石墨烯纳米片包覆tial复合粉末的名义成分为ti-48al-2cr-2nb-2.5c(at%)；四、将步骤三得到的单层石墨烯纳米片包覆tial复合粉末置于石墨模具中，通过放电等离子烧结工艺，以100℃/min的升温速率升温至1200℃并保温10min，烧结压力为45mpa，真空度为2.5
×
10-2
～2.1
×
10-1
pa，得到ti2alc/tial复合块体；复合块体中的增强相呈网状分布，基体为等轴近γ组织；五、将步骤四得到的ti2alc/tial复合块体置于真空热处理炉中进行热处理，其中热处理温度为1380℃、保温时间1h、真空度为3.2
×
10-2～1.5
×
10-1pa，即得到呈网状-片层两级结构的ti2alc/tial复合材料。复合材料中基体组织由等轴近γ组织变为近片层组织，在α
2-ti3al/γ-tial片层基体相界处，脱溶析出纳米ti2alc片层结构。在该条件下，所得到的近片层组织中含有少量的等轴γ-tial组织。
30.实施例2本实施例与实施例1的不同之处仅在于：采用的热处理工艺温度为1400℃。由图3可知，无论是步骤四制备的复合块体或步骤五制备的复合材料，均由tial、tial和tial、三种物质组成，复合材料比复合块体的峰强有所降低。由图4可知，复合块体中的增强相呈网状分布，基体为等轴近γ组织；由图5可知，基体组织为理想的细小全片层组织，在α
2-ti3al/γ-tial片层基体相界处，存在纳米片层ti2alc。此网状-片层两级组织结构性能较好，使得tial复合材料有更高的服役温度和高温强度。
31.实施例3在本实施例与实施例1的不同之处仅在于，选用的ti-48al-2cr-2nb预合金粉体的粒径为150μm，能够制备尺寸更小的一级原位自生ti2alc网状结构，使tial基体片层组织得到进一步细化，同时提高了晶界对位错运动的阻碍作用，从而进一步提高复合材料的高温强度。
32.对比例1对比例1与实施例2的不同之处仅在于：采用的热处理工艺温度为1420℃，相比于实施例2，α2/γ片层基体变得粗大，高温强度不足，性能较差。
33.本发明通过组织调控，原位构筑一级网状结构克服tial基体在高温下的晶界软
化，在α
2-ti3al/γ-tial片层基体相界处靶向引入二级纳米片层ti2alc增强相抑制α
2-ti3al/γ-tial片层基体粗化，对提高片层结构的热稳定性具有重要的意义。本发明提供的两级结构复合材料能够有效的改善tial基合金组织在高温长时服役条件下的热稳定性、强化合金的高温力学性能，使得tial基复合材料具有更加优异的高温强度和服役温度。可应用于航空航天耐高温结构部件，进一步拓宽tial基复合材料的应用范围。
34.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：一、将ti-48al-2cr-2nb预合金球形粉末与单层石墨烯纳米片加入球磨罐中，添加无水乙醇，在惰性气体的保护下进行低能球磨，即得到单层石墨烯纳米片包覆tial复合粉末，单层石墨烯纳米片包覆tial复合粉末的名义成分为ti-48al-2cr-2nb-2.5c(at%)；二、将步骤一得到的单层石墨烯纳米片包覆tial复合粉末置于石墨模具中，通过放电等离子烧结，得到增强相呈网状分布的ti2alc/tial复合块体；三、将步骤二得到的ti2alc/tial复合块体置于真空热处理炉中进行热处理，并随炉冷却至室温，即得到呈网状-片层两级结构的ti2alc/tial复合材料。2.根据权利要求1所述的呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一所选用的单层石墨烯纳米片的制备方法为：（1）、将石墨烯纳米片添加到有机分散剂中，超声分散均匀，得到单层分散且无团聚的石墨烯溶液；（2）、将石墨烯溶液置于真空干燥箱中在60℃～100℃的温度下干燥2.5h～3.5h，即得到单层石墨烯纳米片。3.根据权利要求2所述的呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所选用的石墨烯纳米片的厚度为3～10nm，片径为5～10μm。4.根据权利要求1所述的呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一所选用的ti-48al-2cr-2nb预合金球形粉末是通过惰性气体雾化技术或等离子旋转电极雾化技术制备的，其纯度为99.99％，平均粒径为150～180μm。5.根据权利要求1所述的呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中低能球磨采用的是搅拌式球磨机，以氧化锆球作为球磨介质，球径为5mm，球料比为20：1，球磨转速为100～120r/min，球磨时间为8～10h。6.根据权利要求1所述的呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中，放电等离子烧结工艺的具体参数为：以100℃/min的升温速率升温至1200℃并保温10min，烧结压力为45mpa，真空度为2.5
×
10-2
～2.1
×
10-1
pa。7.根据权利要求1所述的呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中，真空度为3.2
×
10-2
～1.5
×
10-1
pa，热处理温度为1380～1400℃，保温时间为1h。8.呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料，其特征在于，其是通过权利要求1~7任一项所述的制备方法得到的。9.根据权利要求8所述的呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料，其特征在于，所述ti2alc/tial复合材料呈网状-片层两级结构：通过放电等离子烧结工艺在基体的晶界处原位构筑一级网状ti2alc结构，通过真空热处理工艺生成α
2-ti3al/γ-tial片层基体，并在α
2-ti3al/γ-tial片层基体的相界处脱溶析出纳米片层ti2alc，α
2-ti3al/γ-tial片层基体和纳米片层ti2alc共同构成二级片层结构。10.根据权利要求9所述的呈网-层结构的ti2alc/tial复合材料，其特征在于：一级网状ti2alc结构的平均网格尺寸为100～180μm；在α
2-ti3al/γ-tial片层基体中，片层晶团平均尺寸150μm左右，平均片层间距为150～200nm，纳米片层ti2alc的厚度为2～5nm。
技术总结本发明公开了呈网-层结构的Ti2AlC/TiAl复合材料及其制备方法，其制备方法为：将Ti-48Al-2Cr-2Nb预合金球形粉末与单层石墨烯纳米片加入球磨罐中进行低能球磨，得到单层石墨烯纳米片包覆TiAl复合粉末，对TiAl复合粉末进行放电等离子烧结，得到Ti2AlC/TiAl复合块体，然后将Ti2AlC/TiAl复合块体置于真空热处理炉中进行热处理，即得到呈网状-片层两级结构的Ti2AlC/TiAl复合材料。本发明采用放电等离子烧结调控出一级网状Ti2AlC组织结构克服晶界软化；接着采用热处理调控出
技术研发人员：柳培 王振博 谢敬佩 王爱琴 王文焱 侯博 马窦琴 毛志平
受保护的技术使用者：河南科技大学
技术研发日：2022.06.21
技术公布日：2022/11/1
