本發明涉及一種三維連續網絡結構鈦鋁碳/鋁基復合材料及其無壓浸滲制備方法。

背景技術：

鋁基復合材料的研究開始于上世紀50年代。近20年來，從理論上、技術上都取得了較大成就。當前鋁基復合材料的研究主要集中在兩個方面:(1)采用連續纖維增強的具有優異性能的復合材料，應用范圍集中在航天航空、軍事領域；(2)采用不連續增強體增強的具有優良性能的復合材料，應用于汽車制造業。我國較全面地開展了鋁基復合材料方面的研究工作，包括纖維增強、顆粒增強、層壓復合、噴射沉積、原位生成等方面的研究，取得了進展,正走向實用。目前開發的鋁基復合材料主要有b/al，bc/al，sic/al，a12o3/al，sicp/al，添加的纖維分為顆粒、晶須、短晶須和長纖維，但這些陶瓷加入易造成鋁及其合金的強度、耐磨性等機械性能與其導電導熱性難以兼顧的矛盾，極大限制了其在航天、航空、微電子等高技術領域的應用。

ti3alc2是一種新型的三元碳化物導電陶瓷，兼具陶瓷和金屬的特性。其多晶塊體材料的維氏硬度為3.5gpa、楊氏模量為297gpa、室溫壓縮強度為540～580mpa、室溫彎曲強度為360～390mpa、室溫電阻率為0.35μω.m，經1100℃淬火后強度不降低，可機加工(參考文獻：n.v.tzenov和m.w.barsoum，j.am.ceram.soc.,2000,83[4]:825)。此外，其多晶塊體材料具有優異的摩擦學性能：在0.8mpa壓強和60m/s滑動速度下，對低碳鋼的干摩擦系數約為0.1，磨損率約為2.5*10^-6mm³/nm(參考文獻：h-xzhai，et.al,j.am.ceram.soc.,2005，88[11]：3270)。因此，將其作為增強相來增強al基復合材料，可以得到具有高強度、高耐磨、良好導熱性能的ti3alc2/al基復合材料。但是，目前為止還沒有利用這種新型陶瓷來增強al基復合材料的報道。

三維連續網絡結構金屬陶瓷材料，是20世紀80年代發展起來的陶瓷/金屬復合材料的一種結構形式，即陶瓷相與金屬相均為三維空間連續，在空間呈網絡交叉結構。這種結構使其具有顆粒或纖維增強復合材料沒有的特點：相對于纖維增強材料，其在整體結構上具有各向同性的特點、相對于顆粒或晶須增強材料，它具有相互連續的特點。三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料可以使ti3alc2陶瓷和al基合金均為連續分布，陶瓷骨架因為金屬相所具有的韌性得到增韌，金屬相由于陶瓷骨架的剛性承載作用而得到增強，兩者相互依托，相互補強，互為支撐骨架，與傳統的顆粒增強、纖維增強和晶須增強復合材料相比，具有更為獨特的力學性能、抗摩擦磨損性能、減振性能和熱學性能，而且具備性能的各向同性，在汽車工業、交通運輸、航空航天、機械制造等工業領域展示了廣泛的應用前景。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種以多孔ti3alc2預制體(氣孔率為20～80％)和al基合金為原料制成的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料及其無壓浸滲制備方法。

為達到以上目的，本發明采取的技術方案是：

一種三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料，其成分如下：ti3alc2的體積含量為20～80vol％，其余為al基合金。

所述的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料，其顯微結構如下：陶瓷相ti3alc2與金屬相al基合金各自呈三維空間連續分布，在空間呈網絡交叉結構，二者界面結合牢固。

所述的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料的無壓浸滲制備方法，該方法包括以下各步驟：

步驟1，將al基合金粉裝入模具中，預壓60～120mpa，將其壓制成al基合金坯體。

步驟2，在剛玉坩堝內涂抹氮化硼，裝入預壓好的al基合金坯體，將坩堝裝入真空燒結爐內，在氬氣保護下，按10～30℃/min的升溫速率，將爐溫升至700～900℃，保溫10～30min，待爐溫降低到80℃后，開爐取出al基合金錠。

步驟3，將多孔ti3alc2預制體(孔隙率為20～80％)置于剛玉坩堝內，在其上方放入預先燒制的al基合金錠，在其周邊鋪滿al基合金粉。

步驟4，將剛玉坩堝放入真空燒結爐中，在真空下，以10～30℃/min升溫至750～1100℃。在保溫開始10～30min時，停止抽真空，同時往爐內通入氬氣，氣壓0.5～1bar，保溫時間30～120min，之后隨爐冷卻，待爐溫降低到80℃后取出，即得到三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料。

本發明所具有的有益效果：

本發明的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料，其壓縮強度、最大變形率和維氏硬度依初始ti3alc2預制體的氣孔率不同而不同。本發明的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料，其屈服強度最高可達421mpa，壓縮強度最大可達482mpa，最大斷裂塑性應變可達16.5％，維氏硬度最高為2.5gpa；對于本發明的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料的應用，可根據實際的使用要求選取適當氣孔率的ti3alc2預制體和al進行無壓浸滲。本發明的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料的無壓浸滲制備方法，其主要的好處在于工藝簡單，易于操作，適合制造需要輕量化、良好導電性能、高強度、高耐溫的零件。

本發明的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料可廣泛用于汽車、交通運輸、航天、軍工、機械制造等領域，例如用于汽車發動機活塞抗磨環、汽車連桿等汽車零部件、制造電子器材的襯裝材料、散熱片等電子器件等。

附圖說明

圖1是本發明的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料的顯微結構照片。淺色部分為ti3alc2增強相，深色部分為al基合金。

圖2是本發明的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料壓縮斷口照片。

具體實施方式

實施方式一

將al基合金粉裝入模具中，預壓60mpa，將其壓制成al基合金坯體。在剛玉坩堝內涂抹氮化硼，裝入預壓好的al基合金坯體，將坩堝裝入真空燒結爐內，在氬氣保護下，按10℃/min的升溫速率，將爐溫升至700℃，保溫10min，待爐溫降低到80℃后，開爐取出al基合金錠。將孔隙率為20％的多孔ti3alc2預制體置于剛玉坩堝內，在其上方放入預先燒制的al基合金錠，在其周邊鋪滿al基合金粉。將剛玉坩堝放入真空燒結爐中，在真空下，以10℃/min的升溫速率升溫至750℃。在保溫開始10min時，停止抽真空，同時往爐內通入氬氣，氣壓1bar，保溫時間50min，之后隨爐冷卻，待爐溫降低到80℃后取出，即得到三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料。

將上述的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料，加工成直徑為5mm，長度為8mm的圓柱體，在萬能試驗機上以0.5mm/min的速率進行加載；測得其壓縮屈服強度為380mpa，壓縮強度為395mpa，最大斷裂塑性應變為6.5％；測得該樣品的維氏硬度為2.5gpa。

實施方式二

將al基合金粉裝入模具中，預壓70mpa，將其壓制成al基合金坯體。在剛玉坩堝內涂抹氮化硼，裝入預壓好的al基合金坯體，將坩堝裝入真空燒結爐內，在氬氣保護下，按15℃/min的升溫速率，將爐溫升至750℃，保溫15min，待爐溫降低到80℃后，開爐取出al基合金錠。將孔隙率為40％的多孔ti3alc2預制體置于剛玉坩堝內，在其上方放入預先燒制的al基合金錠，在其周邊鋪滿al基合金粉。將剛玉坩堝放入真空燒結爐中，在真空下，以15℃/min的升溫速率升溫至850℃。在保溫開始20min時，停止抽真空，同時往爐內通入氬氣，氣壓0.5bar，保溫時間70min，之后隨爐冷卻，待爐溫降低到80℃后取出，即得到三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料。

將上述的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料，加工成直徑為5mm，長度為8mm的圓柱體，在萬能試驗機上以0.5mm/min的速率進行加載；測得其屈服強度為421mpa，壓縮強度為482mpa，最大斷裂塑性應變為7.5％；測得該樣品的維氏硬度為2.21gpa。

實施方式三

將al基合金粉裝入模具中，預壓75mpa，將其壓制成al基合金坯體。在剛玉坩堝內涂抹氮化硼，裝入預壓好的al基合金坯體，將坩堝裝入真空燒結爐內，在氬氣保護下，按20℃/min的升溫速率，將爐溫升至900℃，保溫30min，待爐溫降低到80℃后，開爐取出al基合金錠。將孔隙率為54％的多孔ti3alc2預制體置于剛玉坩堝內，在其上方放入預先燒制的al基合金錠，在其周邊鋪滿al基合金粉。將剛玉坩堝放入真空燒結爐中，在真空下，以20℃/min的升溫速率升溫至950℃。在保溫開始30min時，停止抽真空，同時往爐內通入氬氣，氣壓1bar，保溫時間90min，之后隨爐冷卻，待爐溫降低到80℃后取出，即得到三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料。

將上述的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料，加工成直徑為5mm，長度為8mm的圓柱體，在萬能試驗機上以0.5mm/min的速率進行加載；測得其屈服強度為361mpa，壓縮強度為401mpa，最大斷裂塑性應變為11.5％；測得該樣品的維氏硬度為1.52gpa。

實施方式四

將al基合金粉裝入模具中，預壓120mpa，將其壓制成al基合金坯體。在剛玉坩堝內涂抹氮化硼，裝入預壓好的al基合金坯體，將坩堝裝入真空燒結爐內，在氬氣保護下，按30℃/min的升溫速率，將爐溫升至800℃，保溫20min，待爐溫降低到80℃后，開爐取出al基合金錠。將孔隙率為66％的多孔ti3alc2預制體置于剛玉坩堝內，在其上方放入預先燒制的al基合金錠，在其周邊鋪滿al基合金粉。將剛玉坩堝放入真空燒結爐中，在真空下，以30℃/min的升溫速率升溫至1100℃。在保溫開始25min時，停止抽真空，同時往爐內通入氬氣，氣壓0.5bar，保溫時間60min，之后隨爐冷卻，待爐溫降低到80℃后取出，即得到三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料。

將上述的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料，加工成直徑為5mm，長度為8mm的圓柱體，在萬能試驗機上以0.5mm/min的速率進行加載；測得其屈服強度為330mpa，壓縮強度為360mpa，最大斷裂塑性應變為13.8％；測得該樣品的維氏硬度為1.32gpa。

實施方式五

將al基合金粉裝入模具中，預壓100mpa，將其壓制成al基合金坯體。在剛玉坩堝內涂抹氮化硼，裝入預壓好的al基合金坯體，將坩堝裝入真空燒結爐內，在氬氣保護下，按25℃/min的升溫速率，將爐溫升至850℃，保溫25min，待爐溫降低到80℃后，開爐取出al基合金錠。將孔隙率為80％的多孔ti3alc2預制體置于剛玉坩堝內，在其上方放入預先燒制的al基合金錠，在其周邊鋪滿al基合金粉。將剛玉坩堝放入真空燒結爐中，在真空下，以25℃/min的升溫速率升溫至1000℃。在保溫開始30min時，停止抽真空，同時往爐內通入氬氣，氣壓1bar，保溫時間120min，之后隨爐冷卻，待爐溫降低到80℃后取出，即得到三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料。

將上述的三維連續網絡結構ti3alc2/al基復合材料，加工成直徑為5mm，長度為8mm的圓柱體，在萬能試驗機上以0.5mm/min的速率進行加載；測得其屈服強度為313mpa，壓縮強度為330mpa，最大斷裂塑性應變為16.5％；測得該樣品的維氏硬度為1.06gpa。

上述實施方式使用的多孔ti3alc2陶瓷預制體為專利申請號：201410058222.9，發明名稱：“一種多孔ti3alc2陶瓷及其nacl水洗制備方法”所制備的多孔ti3alc2陶瓷預制體。