CN101798642A - 一种Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法，它涉及一种复合材料的制备方法。本发明解决采用现有技术制备的TiAl复合材料存在均匀性不好、致密度较低以及成本高的问题。方法：纯钛颗粒堆积到钢模具中得多孔钛预制体，Al-Si合金铸锭线切割成块体，置于多孔钛预制体上，真空热压烧结，冷却至室温后退模，即得Ti5Si3/TiAl复合材料。本发明有效提高材料致密度(95％～98％)和结构均匀性，提高了高温强度、蠕变性能和抗氧化性，满足实用化的需要；省去了粉末冶金工艺中球磨混粉的过程，减少了Ti、Al发生氧化及融入新杂质的机会，降低氧化与杂质对TiAl基合金板材的负面影响；工艺简单，操作容易，设备少，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法。
背景技术
TiAl合金由于其密度低，比强度和比刚度高，是航空、航天飞行器理想的新型高温结构材料，但从其性能特别是力学性能来看，单纯的金属间化合物无法满足一些特殊的航空部件对高温强度、蠕变抗力、抗氧化性和持久性能的综合要求，因此制备金属间化合物基复合材料，可望获得良好的力学性能，并同时保持基体密度低的特性。
目前，已经成功制备出TiB2、TiC、Ti2AlC、Al2O3和Ti5Si3增强TiAl复合材料，常用的制备方法多是基于粉未冶金的路线，先制备粉体再进行反应合成，对于粉末冶金法所制备的复合材料，材料制备过程中氧化现象比较严重且容易产生杂质，材料的均匀性不好，且材料致密度较低，仅为70％～90％。现在，为了使材料致密化，又附加以其它方法，如：热压烧结、热等静压烧结、脉冲电流烧结、放电等离子烧结等，很多新的方法还在探索阶段，无形中增加了复合材料的制备成本。
发明内容
本发明为了解决采用现有技术制备的TiAl复合材料存在均匀性不好、致密度较低以及成本高的问题，而提供一种Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法。
Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法按以下步骤实现：一、采用直径为80～120μm纯钛颗粒直接堆积到钢模具中，得多孔钛预制体；二、将Al-Si合金铸锭线切割成与钢模具形状尺寸相当的块体，然后置于多孔钛预制体上，再置于真空热压烧结炉中，抽真空至0.001～0.01Pa，然后以10～20℃/min的速度升温至640～800℃并保温30～60min，再加压到5～30MPa，保压0.5～3h，继续升温至1100～1400℃，在压力为10～30MPa的条件下烧结1～4h，保压冷却至室温后退模，即得Ti5Si3/TiAl复合材料；其中Al-Si合金与纯钛的质量百分比为35～39∶61～65，Al-Si合金中Si的含量为3.6～16.7wt.％。
本发明采用反应压力浸渗技术，可有效提高材料致密度(95％～98％)和结构均匀性，提高了高温强度(700℃时强度为680～750MPa)、蠕变性能和抗氧化性，满足了实用化的需要；本发明压力浸渗过程在真空中进行，且省去了粉末冶金工艺中球磨混粉的过程，减少Ti、Al发生氧化及融入新杂质的机会，降低氧化与杂质对TiAl基合金板材的负面影响；本发明工艺简单，操作容易，设备少，成本低，易于推广。
附图说明
图1是具体实施方式九中所得Ti5Si3/TiAl复合材料的的显微照片。
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Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法按以下步骤实现：一、采用直径为80～120μm纯钛颗粒直接堆积到钢模具中，得多孔钛预制体；二、将Al-Si合金铸锭线切割成与钢模具形状尺寸相当的块体，然后置于多孔钛预制体上，再置于真空热压烧结炉中，抽真空至0.001～0.01Pa，然后以10～20℃/min的速度升温至640～800℃并保温30～60min，再加压到5～30MPa，保压0.5～3h，继续升温至1100～1400℃，在压力为10～30MPa的条件下烧结1～4h，保压冷却至室温后退模，即得Ti5Si3/TiAl复合材料；其中Al-Si合金与纯钛的质量百分比为35～39∶61～65，Al-Si合金中Si的含量为3.6～16.7wt.％。
本实施方式步骤一中多孔钛预制体为松装结构，孔隙率为47.6％～52％。
本实施方式步骤二中保压目的是使Al-Si合金熔液充分渗入到多孔钛预制体中。
本实施方式步骤二中Al-Si合金和纯钛发生反应生成增强体Ti5Si3和TiAl3，其化学反应式为：5Ti+3Si→Ti5Si3，Ti+3Al→TiAl3。
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采用直径为90～110μm纯钛颗粒。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不同的是步骤一中采用直径为100μm纯钛颗粒。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤二中抽真空至0.005Pa，然后以15℃/min的速度升温至650℃并保温55min，再加压到10MPa，保压3h。其它步骤及参数与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤二中抽真空至0.006Pa，然后以16℃/min的速度升温至700℃并保温45min，再加压到20MPa，保压1h。其它步骤及参数与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤二中抽真空至0.008Pa，然后以18℃/min的速度升温至780℃并保温35min，再加压到30MPa，保压0.5h。其它步骤及参数与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤二中继续升温至1200℃，在压力为15MPa的条件下烧结2h。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤二中继续升温至1300℃，在压力为25MPa的条件下烧结1h。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式九：本实施方式Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法按以下步骤实现：一、采用直径为80μm纯钛颗粒直接堆积到钢模具中，得多孔钛预制体；二、将Al-Si合金铸锭线切割成与钢模具形状尺寸相当的块体，然后置于多孔钛预制体上，再置于真空热压烧结炉中，抽真空至0.005Pa，然后以20℃/min的速度升温至700℃并保温40min，再加压到20MPa，保压2h，继续升温至1200℃，在压力为20MPa的条件下烧结2h，保压冷却至室温后退模，即得Ti5Si3/TiAl复合材料；其中Al-Si合金与纯钛的质量百分比为35∶65，Al-Si合金中Si的含量为5wt.％。
本实施方式所得Ti5Si3/TiAl复合材料，经测试致密度为98％；从图1中可知，Ti5Si3/TiAl复合材料的结构均匀，晶粒组织细小。
具体实施方式十：本实施方式Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法按以下步骤实现：一、采用直径为120μm纯钛颗粒直接堆积到钢模具中，得多孔钛预制体；二、将Al-Si合金铸锭线切割成与钢模具形状尺寸相当的块体，然后置于多孔钛预制体上，再置于真空热压烧结炉中，抽真空至0.01Pa，然后以15℃/min的速度升温至800℃并保温50min，再加压到5MPa，保压3h，继续升温至1400℃，在压力为20MPa的条件下烧结3h，保压冷却至室温后退模，即得Ti5Si3/TiAl复合材料；其中Al-Si合金与纯钛的质量百分比为39∶61，Al-Si合金中Si的含量为10.5wt.％。
本实施方式所得Ti5Si3/TiAl复合材料，经测试致密度为97％，材料的结构均匀。
Claims (8)
1.一种Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法，其特征在于Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法按以下步骤实现：一、采用直径为80～120μm纯钛颗粒直接堆积到钢模具中，得多孔钛预制体；二、将Al-Si合金铸锭线切割成与钢模具形状尺寸相当的块体，然后置于多孔钛预制体上，再置于真空热压烧结炉中，抽真空至0.001～0.01Pa，然后以10～20℃/mmin的速度升温至640～800℃并保温30～60min，再加压到5～30MPa，保压0.5～3h，继续升温至1100～1400℃，在压力为10～30MPa的条件下烧结1～4h，保压冷却至室温后退模，即得Ti5Si3/TiAl复合材料；其中Al-Si合金与纯钛的质量百分比为35～39∶61～65，Al-Si合金中Si的含量为3.6～16.7wt.％。
2.根据权利要求1所述的一种Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中采用直径为90～110μm纯钛颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中采用直径为100μm纯钛颗粒。
4.根据权利要求2或3所述的一种Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中抽真空至0.005Pa，然后以15℃/min的速度升温至650℃并保温55min，再加压到10MPa，保压3h。
5.根据权利要求2或3所述的一种Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中抽真空至0.006Pa，然后以16℃/min的速度升温至700℃并保温45min，再加压到20MPa，保压1h。
6.根据权利要求2或3所述的一种Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中抽真空至0.008Pa，然后以18℃/min的速度升温至780℃并保温35min，再加压到30MPa，保压0.5h。
7.根据权利要求6所述的一种Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中继续升温至1200℃，在压力为15MPa的条件下烧结2h。
8.根据权利要求6所述的一种Ti5Si3/TiAl复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中继续升温至1300℃，在压力为25MPa的条件下烧结1h。
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