一種Al/TiAl3復(fù)合材料的制備方法與流程

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種Al/TiAl₃復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的突飛猛進，工業(yè)應(yīng)用對材料的性能提出了更多、更高以及更嚴(yán)的要求。在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域，單一的材料已經(jīng)不能完全滿足實際需求，因此，復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展是材料科學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果。同時，復(fù)合材料的不斷發(fā)展也極大的豐富了材料領(lǐng)域的研究內(nèi)容，為材料科學(xué)這門學(xué)科注入了強大的生機與活力。

復(fù)合材料按照其結(jié)構(gòu)分類可分為金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，高分子聚合物基復(fù)合材料，以及碳基，水泥基復(fù)合材料等等。在復(fù)合材料中，金屬基復(fù)合材料由于具有高的比模量，比強度，耐熱性，耐磨性以及尺寸穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異的性能，成為高新技術(shù)中材料研究開發(fā)的重要課題。

鋁基復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用最廣的一類，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已得到大量使用。然而隨著航空、航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展，普通鋁基材料已經(jīng)不能滿足其對性能的需求。Ti-Al 系合金由于密度低、耐熱性好，具有高的比剛度、比強度，以及良好的抗高溫蠕變性能和抗氧化能力，成為超高音速飛行器和下一代先進航空發(fā)動機的首選材料。Ti-Al 系合金以多種形式存在，如：Ti₃Al、TiAl、TiAl₂、TiAl₃等。與其他幾種Ti-Al 間金屬化合物相比，TiAl₃具有密度小、模量高、抗氧化性能優(yōu)異等特點，且在鋁基復(fù)合材料中，TiAl₃與Al基體可以形成半共格界面，具有較強的界面結(jié)合能力。因此關(guān)于Al/TiAl₃復(fù)合材料制備的研究具有極大的意義。

目前制備Al/TiAl₃復(fù)合材料的方法多種多樣，V.AbbasiChiane等人利用純Ti和純Al的粉末冶金成功制備了Al-TiAl₃復(fù)合材料，其中初始粉末中Ti的尺寸對生成TiAl₃的影響很大，尺寸越小，增強體和基體之間的界面越平滑，且反應(yīng)速率更快，Ti顆粒尺寸過大會導(dǎo)致生成TiAl₃過程中產(chǎn)生裂紋，對材料的拉伸性能造成嚴(yán)重的影響。Zhiwei Liu 等人在 750 ℃熔融態(tài)的7075合金中加入K2TiF6通過鑄造方法原位自生成了TiAl₃顆粒增強相，與7075合金相比， TiAl₃/7075 合金在硬度、極限抗拉強和屈服上分別提升了 14.3% 、18.1% 和 25.8% 。J.Qin等人利用超聲振蕩法原位生成了 Al -TiAl₃復(fù)合材料，M. Nofar等人利用Al和TiO₂粉體熱壓制備了Al/TiAl3復(fù)合材料提高了材料的機械性能，尤其提高了耐磨性。

但上述方法在制備過程中普遍面臨兩大問題：一是TiAl₃增強體添加的體積分?jǐn)?shù)有限，二是增強體的彌散分布狀態(tài)仍有待改善。因此，本發(fā)明將提供一種可以制備出增強體具有高體積分?jǐn)?shù)且彌散分布的Al基復(fù)合材料的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供了一種Al/TiAl₃復(fù)合材料的制備方法。該方法可以制備出具有高體積分?jǐn)?shù)增強體且彌散分布的Al基TiAl₃增強復(fù)合材料。本發(fā)明所提供的這種Al/TiAl₃復(fù)合材料的制備方法涉及累積疊軋和高溫反應(yīng)技術(shù)手段，制備的復(fù)合材料增強體TiAl₃體積分?jǐn)?shù)高且在基體中彌散分布。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種Al/TiAl₃復(fù)合材料的制備方法，包括：

步驟一，對Ti板進行累積疊軋?zhí)幚恚唧w為：

首先對Ti板進行表面打磨和清潔處理，除掉氧化物和有機物，然后進行第一道次軋制，軋制后的鈦板從中部對折，重復(fù)上述過程，共計軋制10道次以上；

步驟二，將累積疊軋?zhí)幚淼腡i板與Al板按一定質(zhì)量比例交叉疊放

將累積疊軋?zhí)幚淼腡i板和Al板分別做表面打磨和清潔處理，除掉氧化物和有機物，然后將Ti板與Al板交叉疊放，使Ti板夾在Al板之間，在0-1:1的比例范圍內(nèi)調(diào)整Ti板與Al板的質(zhì)量比；

步驟三，將疊放的Ti板與Al板加熱至660℃以上并保溫一定時間，保證累積疊軋?zhí)幚淼腡i板與Al完全反應(yīng)。

作為一種優(yōu)選，步驟一中，軋制過程中調(diào)整軋輥間隙，保證每道次鈦板厚度方向的變形量為50%；

步驟三中，保溫時間為一小時以上。

將疊放好的Ti/Al樣品加熱至純鋁熔點（660℃）以上時Al板熔化，并將軋制的Ti板包裹其中，發(fā)生反應(yīng)：

Ti(s)+3Al(l)=TiAl₃(s)

累積疊軋工藝是一種利用很高的應(yīng)變使晶粒細化到亞微米水平，進而制備超細晶材料的方法。由于大的等效應(yīng)變會導(dǎo)致大的位錯積累，在厚度方向應(yīng)變越大，則晶粒被分得更細。在累積疊軋工藝中，軋制的Ti板被切斷、層疊，使其厚度與軋制前相同然后進行軋制，這樣的過程反復(fù)進行，由于反復(fù)疊軋在原理上可以進行無數(shù)次。因此，Ti板在厚度方向的應(yīng)變可以不斷增大，晶粒不斷得到細化。

軋制后晶粒得到細化的Ti板中含有大量晶界，具有較高的能量，因此熔融Al液優(yōu)先在晶界處發(fā)生上述反應(yīng)生成TiAl₃，同時釋放出大量熱量進一步促進反應(yīng)過程。此外，由于熔融Al液沿晶界的滲透作用，Ti板表層破碎并在熱流的作用下遷移至純Al區(qū)域繼續(xù)發(fā)生上述反應(yīng)，最終形成TiAl₃在Al基體中均勻且彌散分布的微觀結(jié)構(gòu)。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果：

1．本發(fā)明的方法反應(yīng)速率較快，生產(chǎn)周期短

2. 本發(fā)明的工藝成本低，便于實現(xiàn)批量或規(guī)模生產(chǎn)。

3．本發(fā)明的方法能夠使且增強相TiAl₃在基體中均勻彌散分布，滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和強度的設(shè)計要求。

4. 本發(fā)明制備得到的復(fù)合材料中TiAl₃的體積分?jǐn)?shù)高，且通過調(diào)節(jié)初始Ti/Al比例，可以實現(xiàn)極寬范圍內(nèi)（0-100%）對增強相TiAl₃體積分?jǐn)?shù)的調(diào)控，充分發(fā)揮增強相對基體的增強效果。

附圖說明

圖1為初始質(zhì)量比為Ti：Al=1：24 在800℃制備得到的樣品100X截面圖。

圖2為初始質(zhì)量比為Ti：Al=1：7在800℃制備得到的樣品100X截面圖。

圖3為初始質(zhì)量比為Ti：Al=1：5在800℃制備得到的樣品100X截面圖。

圖4為初始質(zhì)量比為Ti：Al=1：4.5在800℃制備得到的樣品100X截面圖。

圖5為初始質(zhì)量比為Ti：Al=1：1.7在800℃制備得到的樣品100X截面圖。

圖6為初始質(zhì)量比為Ti：Al=1：6在700℃制備得到的樣品100X截面圖。

具體實施方式

下面通過實施例，進一步闡明本發(fā)明的突出特點和顯著進步，僅在于說明本發(fā)明而不限制本發(fā)明。

實施例1

步驟一：將尺寸為100mm×25mm×0.5mm的Ti板先進行表面處理，用180#水磨粗砂紙打磨表面去除氧化物和其他污漬，放入盛有酒精的燒杯中超聲清洗3分鐘，得到潔凈的金屬表面，準(zhǔn)備軋制。上述步驟所采用的Ti板為99.7%純Ti，退火態(tài)。

將兩片上述Ti板水平疊放，夾在兩片厚度為0.5mm的不銹鋼板中，該不銹鋼板由一片板材對折軋制而成，Ti板夾在不銹鋼板的折痕處，起到緊固作用，防止軋制過程中發(fā)生錯動。將不銹鋼板送入軋機進行軋制，送樣時保持鋼板的平穩(wěn)且垂直于軋制方向，使Ti板受力均勻。根據(jù)實際情況調(diào)整軋輥間隙，使累積疊軋一道次厚度方向上變形量達到50%，完成一道次軋制后將Ti板對折，重復(fù)上述過程，累積疊軋共進行10道次。

上述累積疊軋所用的軋機兩軋輥之間壓力190kN，轉(zhuǎn)速30r/min，采用細牙螺桿調(diào)節(jié)兩軋輥間距，軋輥間距0-5mm 可調(diào)，本實施例所采用的軋輥間隙為1.3mm。

步驟二：采用線切割的方法在累積疊軋?zhí)幚淼腡i板上切取直徑為20mm的圓片，用200#砂紙打磨圓片去除表面氧化物和其他污漬，浸沒在裝著酒精的燒杯中超聲清洗3分鐘，干燥后備用。在純Al板上剪取直徑為20mm的圓片，打磨去除表面氧化物和其他污漬，在酒精中超聲清洗3分鐘，干燥后備用。

用分析天平稱量Ti片和Al片的質(zhì)量，本發(fā)明采用一片Ti與若干片Al的組合，Ti片總質(zhì)量為0.3g，Al片為7.2g。將Ti片放在中間，上下各疊放多層Al片，放進石墨模具。

步驟三：將裝好試樣的石墨模具放置在SPS爐腔中，關(guān)好爐腔并抽真空，待真空度達到要求時調(diào)節(jié)加熱溫度和保溫時間，加熱溫度為800℃，Al板熔化并將軋制的Ti板包裹其中發(fā)生反應(yīng)：Ti(s)+3Al(l)=TiAl₃(s)，保溫時間為1h。溫度測量裝置采用熱電偶測溫，測量溫度準(zhǔn)確。在800℃保溫1個小時后，系統(tǒng)自動降溫，溫度降低到150℃時，打開爐腔，取出模具置于空氣中冷卻，等待10分鐘左右，模具完全冷卻取出樣品。

上述步驟所采用的純Al為99.6%,退火態(tài)。

上述高溫反應(yīng)過程采用放電等離子反應(yīng)系統(tǒng)升溫，升溫時間不超過5min，這樣可以避免因升溫過程緩慢帶來的回復(fù)再結(jié)晶使軋制之后細化的Ti晶粒重新長大。

上述步驟的保溫時間以軋制Ti片完全消耗為準(zhǔn)，與Ti/Al添加比例相關(guān)，Ti/Al添加比越大，則需要保溫的時間越長，反之，亦然。本實施例采用的保溫時間為1h。

圖1為本實施例獲得樣品的截面金相圖。經(jīng)計算該樣品中增強相TiAl₃的體積分?jǐn)?shù)達到35%左右，增強相TiAl₃顆粒的平均尺寸約為14微米。

對該實施例所制得樣品進行硬度測試，其平均硬度達到55.0HV，約為純Al的2倍。

實施例2

除了初始質(zhì)量比為Ti：Al=1：7外，本實施例的工藝流程和其他工藝參數(shù)均同實施例1。

圖2為本實施例獲得樣品的截面金相圖。經(jīng)計算該樣品中增強相TiAl₃的體積分?jǐn)?shù)達到50%左右，增強相TiAl₃顆粒的平均尺寸約為12微米。與實施例1相比，增強相TiAl₃的顆粒尺寸變化不明顯，但體積分?jǐn)?shù)有明顯的增加，局部出現(xiàn)少量團聚。

對該實施例所制得樣品進行硬度測試，其平均硬度達到88.7HV，約為純Al的3.5倍。

實施例3

除了初始質(zhì)量比為Ti：Al=1：5外，本實施例的工藝流程和其他工藝參數(shù)均同實施例1。

圖3為本實施例獲得樣品的截面金相圖。經(jīng)計算該樣品中增強相TiAl3的體積分?jǐn)?shù)達到62%左右，增強相TiAl₃顆粒的平均尺寸約為11微米。與實施例1，實施例2相比，增強相TiAl₃的顆粒尺寸基本不變，體積分?jǐn)?shù)顯著增加，存在少量團聚，但整體分布較為均勻。

對該實施例所制得樣品進行硬度測試，其平均硬度達到117.6HV，約為純Al的4.6倍。

實施例4

除了初始質(zhì)量比為Ti：Al=1：4.5外，本實施例的工藝流程和其他工藝參數(shù)均同實施例1。

圖4為本實施例獲得樣品的截面金相圖。經(jīng)計算該樣品中增強相TiAl₃的體積分?jǐn)?shù)達到67%左右，增強相TiAl₃顆粒的平均尺寸約為11微米。

對該實施例所制得樣品進行硬度測試，其平均硬度達到134.6HV，約為純Al的5.2倍。

實施例5

除了初始質(zhì)量比為Ti：Al=1：1.7外，本實施例的工藝流程和其他工藝參數(shù)均同實施例1。

圖5為本實施例獲得樣品的截面金相圖。經(jīng)計算該樣品中增強相TiAl₃的體積分?jǐn)?shù)達到80%左右，增強相TiAl₃顆粒的平均尺寸約為11微米。與實施例1，實施例2，實施例3，實施例4相比，增強相TiAl₃的顆粒尺寸基本保持不變，體積分?jǐn)?shù)進一步增加，整體分布非常均勻。

對該實施例所制得樣品進行硬度測試，其平均硬度達到184.4HV，約為純Al的7.2倍。

實施例6

工藝流程同實施例1，其中Ti/Al的初始質(zhì)量比為1:6，反應(yīng)溫度為700℃，保溫時間為1.5h。

圖6為本實施例獲得樣品的截面圖。其中暗黑色背景為純Al，灰色物質(zhì)為彌散分布的TiAl₃顆粒。由此可知，在700℃下發(fā)生固體Ti與液態(tài)Al的反應(yīng)可以實現(xiàn)Al/TiAl₃復(fù)合材料的制備。