CN101597726B - 一种Ti-Al系金属间化合物的增韧方法 - Google Patents
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Abstract
一种Ti-Al系金属间化合物的增韧方法，它涉及一种金属间化合物的增韧方法。本发明解决了现有Ti-Al系金属间化合物脆性大、制备工艺复杂、成本高、以及利用长纤维增强金属间化合物存在纤维增强体和Ti-Al基体界面易生成脆性界面产物而降低性能的问题。方法：配制Ti粉或Ti-Al化合物粉末浆料；制预制件；将铝液或铝合金液用加压浸渗法或真空吸铸法浸渗到预制件中；在真空或惰性气氛保护下，将铸态复合材料加热处理，即得增韧的Ti-Al系金属间化合物。本发明工艺简单、成本低，纤维和基体的界面结合良好，且纤维和基体界面的产物也为Ti-Al系金属间化合物，材料的韧性好，脆性小。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属间化合物的增韧方法。
背景技术
新型发动机的轻型化及超高速化要求其结构件具有更优异的高温性能(高温强度、蠕变)和抗氧化、耐腐蚀性能，同时还要求密度小，以降低自身的重量，提高发动机有效推重比。Ti-Al系金属间化合物具有优异的抗氧化性和抗腐蚀能力，比较低的密度和高的熔点，是研究者所期待的高温材料之一，但是Ti-Al系金属间化合物脆性大、成型难、焊接难、制备工艺复杂、成本高，这些问题制约了金属间化合物的使用。金属基复合材料的发展使人们看到，利用纤维与金属间化合物进行复合，制成纤维增强、增韧金属间化合物基复合材料，是金属间化合物走出困境的技术途径之一。
长纤维增强金属间化合物的制备方法目前有粉末布法、箔叠纤维法、火焰(弧焰)喷射成型法、等离子喷涂法、物相沉积法和真空压力铸造法等。但是由于Ti-Al系金属间化合物的活性大，易污染，以及制造过程中的原料残余，导致纤维增强体和Ti-Al基体界面易生成脆性界面产物而降低性能。申请号为“200810003625.8，发明名称：纤维增强金属间化合物复合材料及其制备成型的方法”的专利中制备的Ti-Al系金属间化合物脆性大，而且存在纤维增强体和Ti-Al基体界面易生成脆性界面产物而降低性能的问题。
发明内容
本发明为了解决现有Ti-Al系金属间化合物脆性大，及利用长纤维增强金属间化合物存在纤维增强体和Ti-Al基体界面易生成脆性界面产物而降低性能的问题，而提供一种Ti-Al系金属间化合物的增韧方法。
Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下步骤实现：一、用有机溶剂将Ti粉或Ti-Al化合物粉末调成浓度为0.1～5g/ml的粉末浆料；二、在纤维增强体缠绕或铺设过程中，均匀的涂覆Ti粉粉末浆料或Ti-Al化合物粉末浆料，并使Ti粉粉末浆料或Ti-Al化合物粉末浆料充满纤维增强体的间隙，制成预制件；三、将铝液或铝合金液用加压浸渗法或真空吸铸法浸渗到预制件的粉末和纤维增强体的空隙之中，得到铸态复合材料；四、在0～50MPa的压头压力下，在 真空或惰性气氛保护下，将铸态复合材料在500～1000℃加热0.05～10h，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
本发明中Ti-Al系金属间化合物的增韧方法，其工艺简单、成本低、复合材料中杂质含量少，纤维分布均匀，纤维和基体的界面结合良好，且纤维和基体界面的产物也为Ti-Al系金属间化合物，与基体成分相近，界面结合属于天然融合，复合材料的韧性好，脆性小。
附图说明
图1是具体实施方式二十四中所得增韧的Ti-Al系金属间化合物的扫描电镜图；图2是具体实施方式二十五中所得增韧的Ti-Al系金属间化合物的扫描电镜图；图3是具体实施方式二十五中所得增韧的Ti-Al系金属间化合物的弯曲强度和挠度关系曲线图，其中a为室温下测定的弯曲强度和挠度关系曲线，b为600℃下测定的弯曲强度和挠度关系曲线，c为650℃下测定的弯曲强度和挠度关系曲线，d为700℃下测定的弯曲强度和挠度关系曲线。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下步骤实现：一、用有机溶剂将Ti粉或Ti-Al化合物粉末调成浓度为0.1～5g/ml的粉末浆料；二、在纤维增强体缠绕或铺设过程中，均匀的涂覆Ti粉粉末浆料或Ti-Al化合物粉末浆料，并使Ti粉粉末浆料或Ti-Al化合物粉末浆料充满纤维增强体的间隙，制成预制件；三、将铝液或铝合金液用加压浸渗法或真空吸铸法浸渗到预制件的粉末和纤维增强体的空隙之中，得到铸态复合材料；四、在0～50MPa的压头压力下，在真空或惰性气氛保护下，将铸态复合材料在500～1000℃加热0.05～10h，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
本实施方式步骤三中铝合金为各种铝合金。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中Ti粉或Ti-Al化合物粉末的粒径为10～1000μm。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中 Ti-Al化合物为Ti3Al、TiAl、TiAl3中的一种或其中几种的混合。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一中有机溶剂为乙醇和甘油的混合溶液、乙醇和异辛酸稀土的混合溶液、乙醇和异辛酸钇的混合溶液或乙醇；其中乙醇和甘油按体积比20～1∶1混合，乙醇和异辛酸稀土按体积比20～1∶1混合，乙醇和异辛酸钇按体积比20～1∶1混合。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一、二或四不同的是步骤二中纤维增强体为钛的长纤维、钛的短纤维、钛的纤维织物、钛合金的长纤维、钛合金的短纤维或钛合金的纤维织物；纤维增强体的直径为0.02～5mm。其它步骤及参数与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤三中的加压浸渗法按以下步骤实现：将步骤二制得的预制件装入模具内预热到400～800℃，再将纯铝或铝合金熔化到700～1000℃后浇注到模具内，通过压头施加5～20MPa的压力，使铝液或铝合金液浸渗到预制件的粉末和纤维增强体的空隙之中，保温保压3～30min后冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤三中的真空吸铸法按以下步骤实现：将步骤二制得的预制件装入模具，再将纯铝或铝合金放到模具上部，装入真空炉内在700～1000℃预热，在真空状态下，保温0.5～5h，通入惰性气体或空气，在0.1～1大气压下将铝液或铝合金液浸渗到预制体的粉末和纤维增强体的空隙之中，再冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是步骤四中在10～40MPa的压力下。其它步骤及参数与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是步骤四中铸态复合材料在500℃加热10h。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八不同的是步骤四中铸态复合材料在1000℃加热0.05h。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式八不同的是步骤四中铸态复合材料在600℃加热8h。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式八不同的是步骤四中铸态复合材料在700℃加热6h。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式八不同的是步骤四中铸态复合材料在800℃加热4h。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式八不同的是步骤四中铸态复合材料在900℃加热2h。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十五：本实施方式Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下步骤实现：一、用体积比为8∶1的乙醇和甘油混合溶液将Ti3Al粉调成浓度为1g/ml的浆料；二、铺设Ti纤维网，每铺设一层Ti纤维网均匀的涂一层Ti3Al粉末浆料，并使粉末充满纤维的间隙，铺设到预定厚度1mm，制成预制件；三、将步骤二制得的预制件装入模具内预热到400℃，再将纯铝熔化到800℃后浇注到模具内，通过压头施加20MPa的压力，使铝液浸渗到预制件的Ti3Al粉末和纤维的间隙之中，保温保压5min后冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料；四、在Ar气保护下，将铸态复合材料在500℃加热10h，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
本实施方式中Ti纤维、Ti3Al和Al按体积份数比为5∶45∶50进行投加。
具体实施方式十六：本实施方式Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下步骤实现：一、用体积比为8∶1的乙醇和甘油混合溶液将TiAl粉调成浓度为1g/ml的粉末浆料；二、铺设Ti纤维网，每铺设一层Ti纤维网均匀的涂一层TiAl粉末浆料，并使粉末充满纤维的间隙，铺设到预定厚度1mm，制成预制件；三、将步骤二制得的预制件装入模具内预热到400℃，再将纯铝熔化到800℃后浇注到模具内，通过压头施加20MPa的压力，使铝液浸渗到预制件的TiAl粉末和纤维的间隙之中，保温保压5min后冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料；四、在Ar气保护下，将铸态复合材料在500℃加热10h，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
本实施方式中Ti纤维、TiAl和Al按体积份数比为5∶45∶50进行投加。
具体实施方式十七：本实施方式Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下 步骤实现：一、用体积比为10∶1的乙醇和异辛酸稀土混合溶液将Ti粉调成浓度为2g/ml的粉末浆料；二、铺设Ti6Al4V纤维网，每铺设一层Ti6Al4V纤维网均匀的涂一层Ti粉粉末浆料，并使粉末充满纤维的间隙，铺设到预定厚度3mm，制成预制件；三、将步骤二制得的预制件装入模具内预热到500℃，再将纯铝熔化到700℃后浇注到模具内，通过压头施加9MPa的压力，使铝液浸渗到预制件的Ti粉末和纤维的间隙之中，保温保压5min后冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料；四、在Ar气保护下，且施加5MPa压力，将铸态复合材料在1000℃加热0.1h，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
本实施方式中Ti6Al4V纤维、Ti和Al按体积份数比为20∶30∶50进行投加。
具体实施方式十八：本实施方式Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下步骤实现：一、用体积比为积比为15∶1的乙醇和异辛酸钇混合溶液将Ti粉调成浓度为0.8g/ml的粉末浆料；二、铺设Ti6Al4V纤维网，每铺设一层Ti6Al4V纤维网均匀的涂一层Ti粉粉末浆料，并使粉末充满纤维的间隙，铺设到预定厚度4mm，制成预制件；三、将步骤二制得的预制件装入模具内预热到600℃，再将纯铝熔化到750℃后浇注到模具内，通过压头施加15MPa的压力，使铝液浸渗到预制件的Ti粉末和Ti6Al4V纤维的间隙之中，保温保压30min后冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料；四、在真空条件下，且施加15MPa压力，将铸态复合材料在800℃加热0.5h，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
本实施方式中Ti6Al4V纤维、Ti和铝合金按体积份数比为60∶16∶24进行投加。
具体实施方式十九：本实施方式Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下步骤实现：一、用乙醇将Ti3Al粉未调成浓度为0.8g/ml的粉末浆料；二、缠绕纯Ti纤维，每缠绕一层金属纤维均匀的涂一层Ti3Al粉末浆料，并使粉末充满纤维的间隙，缠绕到预定厚度5mm，制成预制件；三、将步骤二制得的预制件装入模具内预热到630℃，再将纯铝熔化到850℃后浇注到模具内，通过压头施加15MPa的压力，使铝液浸渗到预制件的Ti3Al粉末和Ti纤维的间隙 之中，保温保压30min后冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料；四、在真空条件下，且施加50MPa压力，将铸态复合材料在630℃加热5h，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
本实施方式中Ti纤维、Ti3Al和Al按体积份数比为50∶13∶37进行投加。
具体实施方式二十：本实施方式Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下步骤实现：一、用体积比为5∶1的乙醇和甘油混合溶液将Ti3Al粉未调成浓度为2g/ml的粉末浆料；二、铺设Ti纤维网，每铺设一层纤维网均匀的涂一层Ti3Al粉末浆料，并使粉末充满纤维的间隙，铺设到预定厚度2.5mm，制成预制件；三、将步骤二制得的预制件装入模具，再将纯铝放到模具上部，装入真空炉内在700℃预热，在真空状态下，保温2h，通入Ar气，在0.2大气压下将铝液浸渗到预制件的Ti3Al粉末和Ti纤维的间隙之中，再冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料；四、在真空条件下，且施加20MPa压力，将铸态复合材料在500℃加热10h，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
本实施方式中Ti纤维、Ti3Al和Al按体积份数比为8∶50∶42进行投加。
具体实施方式二十一：本实施方式Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下步骤实现：一、用体积比为7∶1的乙醇和异辛酸稀土混合溶液将Ti3Al粉未调成浓度为1g/ml的粉末浆料；二、铺设Ti6Al4V纤维网，每铺设一层纤维网均匀的涂一层Ti粉粉末浆料，并使粉末充满纤维的间隙，铺设到预定厚度4.6mm，制成预制件；三、将步骤二制得的预制件装入模具，再将铝合金放到模具上部，装入真空炉内在750℃预热，在真空状态下，保温1.5h，通入空气，在0.6大气压下将铝合金液浸渗到预制体件的Ti3Al粉末和Ti6Al4V纤维的间隙之中，再冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料；四、在真空条件下，且施加8MPa压力，将铸态复合材料在1000℃加热10min，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
本实施方式中Ti6Al4V纤维、Ti3Al和Al按体积份数比为25∶25∶50进行投加。
具体实施方式二十二：本实施方式Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下步骤实现：一、用体积比为15∶1的乙醇和异辛酸钇混合溶液将Ti粉未调 成浓度为0.8g/ml的粉末浆料；二、缠绕Ti6Al4V纤维，每缠绕一层纤维均匀的涂一层钛粉粉末浆料，并使粉末充满纤维的间隙，缠绕到预定厚度6mm，制成预制件；三、将步骤二制得的预制件装入模具，再将纯铝放到模具上部，装入真空炉内在800℃预热，在真空状态下，保温40min，通入惰性气体，在1大气压下将铝液浸渗到预制体件的Ti粉末和Ti6Al4V纤维的间隙之中，再冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料；四、在真空条件下，且施加15MPa压力，将铸态复合材料在700℃加热30min，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
本实施方式中Ti6Al4V纤维、Ti和Al按体积份数比为30∶40∶30进行投加。
具体实施方式二十三：本实施方式Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下步骤实现：一、用乙醇将Ti3Al粉未调成浓度为0.2g/ml的粉末浆料；二、缠绕Ti纤维，每缠绕一层金属纤维均匀的涂一层Ti3Al粉末浆料，并使粉末充满纤维的间隙，缠绕到预定厚度5.5mm，制成预制件；三、将步骤二制得的预制件装入模具，再将铝合金放到模具上部，装入真空炉内，在850℃预热，在真空状态下，保温30min，通入惰性气体，在0.4大气压下将铝合金液浸渗到预制件的Ti3Al粉末和Ti纤维的间隙之中，再冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料；四、在真空条件下，且施加50MPa压力，将铸态复合材料在640℃加热3h，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
本实施方式中Ti纤维、Ti3Al和Al按体积份数比为10∶50∶40进行投加。
具体实施方式二十四：本实施方式Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下步骤实现：一、用乙醇溶液将Ti粉未调成浓度为5g/ml的粉末浆料；二、铺设Ti6Al4V纤维网，每铺设一层纤维网均匀的涂一层钛粉粉末浆料，并使粉末充满纤维的间隙，缠绕到预定厚度3mm，制成预制件；三、将步骤二制得的预制件装入模具内预热到550℃，再将纯铝熔化到800℃后浇注到模具内，通过压头施加10MPa的压力，使铝液浸渗到预制件的Ti粉末和Ti6Al4V纤维的间隙之中，保温保压10min后冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料；四、在真空条件下，且施加20MPa压力，将铸态复合材料在800℃加热0.5h，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
本实施方式中Ti6Al4V纤维、Ti和Al按体积份数比为10∶21∶69进行投加。
本实施方式所得增韧的Ti-Al系金属间化合物，由图1中可以看出，复合材料中纤维分布均匀，纤维和基体的界面结合良好，且纤维和基体界面的产物为Ti-Al系金属间化合物。
具体实施方式二十五：本实施方式Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下步骤实现：一、用乙醇溶液将Ti粉未调成浓度为2g/ml的粉末浆料；二、缠绕Ti6Al4V纤维，每缠绕一层纤维均匀的涂一层钛粉粉末浆料，并使粉末充满纤维的间隙，缠绕到预定厚度3mm，制成预制件；三、将步骤二制得的预制件装入模具内预热到600℃，再将纯铝熔化到850℃后浇注到模具内，通过压头施加15MPa的压力，使铝液浸渗到预制件的Ti粉末和Ti6Al4V纤维的间隙之中，保温保压10min后冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料；四、在真空条件下，且施加10MPa压力，将铸态复合材料在700℃加热2h，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
本实施方式中Ti6Al4V纤维、Ti和Al按体积份数比为30∶15∶45进行投加。
本实施方式所得增韧的Ti-Al系金属间化合物，由图2中可以看出，纤维和基体的界面结合良好，且纤维和基体界面的产物为Ti-Al系金属间化合物；对其进行力学性能测试，由图3中可以看出，复合材料的韧性好，脆性小。
Claims (2)
1.一种Ti-Al系金属间化合物的增韧方法，按以下步骤实现：一、用有机溶剂将Ti粉调成浓度为0.1～5g/ml的粉末浆料；二、在纤维增强体缠绕或铺设过程中，均匀的涂覆Ti粉粉末浆料，并使Ti粉粉末浆料充满纤维增强体的间隙，制成预制件；三、将铝液用加压浸渗法浸渗到预制件的粉末和纤维增强体的空隙之中，得到铸态复合材料；四、在0～50MPa的压头压力下，在真空保护下，将铸态复合材料在500～1000℃加热0.05～10h，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物；
其特征在于Ti-Al系金属间化合物的增韧方法按以下步骤实现：一、用乙醇溶液将Ti粉未调成浓度为2g/ml的粉末浆料；二、缠绕Ti6Al4V纤维，每缠绕一层纤维均匀的涂一层钛粉粉末浆料，并使粉末充满纤维的间隙，缠绕到预定厚度3mm，制成预制件；三、将步骤二制得的预制件装入模具内预热到600℃，再将纯铝熔化到850℃后浇注到模具内，通过压头施加15MPa的压力，使铝液浸渗到预制件的Ti粉末和Ti6Al4V纤维的间隙之中，保温保压10min后冷却至室温，脱模，得到毛坯，再车掉外部的铝，得到铸态复合材料；四、在真空条件下，且施加10MPa压力，将铸态复合材料在700℃加热2h，得到增韧的Ti-Al系金属间化合物。
2.根据权利要求1所述的一种Ti-Al系金属间化合物的增韧方法，其特征在于步骤一中Ti粉粉末的粒径为10～1000μm。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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