CN105002448B - 表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料及其制备方法 - Google Patents
表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料及其制备方法。它涉及一种具有保护层的网状结构Ti基复合材料及其制备方法。本发明解决了目前网状结构TiBw/Ti复合材高温抗氧化与抗烧蚀性差；以及传统钛合金表面制备TiAl3镀层工艺复杂要求苛刻，对设备要求较高，镀层与固相结合力弱，制备周期长，孔洞较多、不致密，TiAl3镀层受热后总是存在较多的裂纹而成为氧的扩散通道导致大尺寸工件表面TiAl3涂层的脱落等问题。该复合材料以TiBw/Ti复合材料为基材，表面具有致密的TiAl3层。制备方法：一、抛光，酸性腐蚀；二、热浸铝；三、低温反应热处理；四、碱性处理。本发明拓宽了网状结构TiBw/Ti复合材料作为轻质、耐热、高强结构材料在高温环境下的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有保护层的网状结构Ti基复合材料及其制备方法。
背景技术
非连续增强钛基复合材料(Discontinuously reinforced titanium matrixcomposites，简称DRTMCs)较钛合金具有更高的比强度、比刚度、耐磨性、与高温强度，特别是选用大尺寸球形钛粉为原料，采用低能球磨技术与反应热压烧结技术制备的网状结构TiB晶须增强钛基(TiBw/Ti)复合材料(ZL200810136852.8)，表现出更加优异的综合力学性能以及更高的高温强度，有望作为轻质、耐热、高强结构材料在550～850℃得到广泛应用。然而，网状结构TiB晶须增强钛基(TiBw/Ti)复合材料较差的高温抗氧化性能严重限制了在高温环境的应用。虽然，通过制备网状结构TiCp/Ti复合材料(ZL200910071986.0)可以有效提高其高温抗氧化性能，但拉伸性能大幅下降，甚至远远低于钛合金。
传统钛合金表面通过溅射、喷涂、渗铝(粉末包埋渗、气相渗、料浆渗和热浸渗)等方法制备的TiAl3镀层具有较好的高温抗氧化性能，然而存在以下缺点：一、工艺复杂要求苛刻，并且对设备要求较高；二、由于镀层内部颗粒之间及其与钛合金之间多为物理或者固相结合，结合较弱；而且制备周期较长，并存在较多的孔洞，抗氧化性能改善效果有限；三、尺寸不能过大，形状只能是简单形状，对工件尺寸与形状有较大的限制；四、由于TiAl3与Ti之间热膨胀系数不同，受热后总是存在较多的裂纹而成为氧的扩散通道；由于这种热膨胀系数不匹配甚至导致大尺寸工件表面TiAl3涂层的脱落，失去涂层防护能力。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前网状结构TiBw/Ti复合材高温抗氧化与抗烧蚀性差；以及传统钛合金表面制备TiAl3镀层工艺复杂要求苛刻，对设备要求较高，镀层与固相结合力弱，制备周期长，孔洞较多、不致密，TiAl3镀层受热后总是存在较多的裂纹而成为氧的扩散通道导致大尺寸工件表面TiAl3涂层的脱落等问题，而提供的一种表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料及其制备方法。
本发明表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料以TiBw/Ti复合材料为基材，表面具有致密的TiAl3层；且基材表面TiB晶须嵌入TiAl3层内；其中，增强相TiB晶须为网状分布。
上述表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料按以下步骤制备：
一、网状结构TiBw/Ti复合材料表面抛光，然后用酸性腐蚀液对表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料进行腐蚀；
二、热浸铝：将纯铝加热熔化并保持温度≤900℃，然后将步骤一酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中；
三、低温反应热处理：将步骤二经过热浸铝处理的复合材料放入温度为550～660℃的环境中保温时间2～8h；
四、将步骤三低温反应热处理过的复合材料放入碱性溶液中反应，即得到表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料。
本发明表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料因其表面具有致密的TiAl3层，大幅提高TiBw/Ti复合材料高温抗氧化性与抗烧蚀性能。本发明复合材料中基材表面的TiB晶须嵌入TiAl3层内，有效地钉扎和固定TiAl3镀层；由于TiB晶须呈网状分布，所以实际上TiAl3镀层是被无数个小尺寸网状单元钉扎、固定，有效的避免了TiAl3镀层与钛基体之间因热膨胀系数不同而造成的裂纹或脱落，结合效果好；而且，即使在TiAl3镀层局部发生裂纹或者剥离的情况下，其他位置的TiAl3镀层也不会受到影响，保持镀层与基材间的结合力不变；因此，本发明适合用于制备表面具有大尺寸、大面积TiAl3镀层的网状结构TiBw/Ti复合材料。
本发明制备方法可以在不同形状、不同结构的网状结构TiBw/Ti复合材料表面制备致密的、单一的TiAl3镀层。本发明中TiAl3镀层是在熔化的铝液及低温反应热处理过程中形成的，设备与工艺简单。本发明在网状结构TiBw/Ti复合材料表面制备的TiAl3镀层致密、无孔洞，受热后不产生裂纹，TiAl3镀层不脱落。本发明采用液态铝与钛反应速度较快的优势，首先采用在熔化的铝液中先得到TiAl3与Al混合镀层，与传统钛合金表面制备TiAl3镀层工艺中主要依靠后续热处理获得TiAl3镀层相比，能有效降低镀层制备周期。
本发明拓宽了网状结构TiBw/Ti复合材料作为轻质、耐热、高强结构材料在高温环境下的应用范围。
附图说明
图1是步骤一进行酸性腐蚀后网状结构TiBw/Ti复合材料表面的平面扫描电镜照片。
图2是步骤一进行酸性腐蚀后网状结构TiBw/Ti复合材料表面的侧面扫描电镜照片。
图3是步骤二热浸铝后形成的TiAl3与Al混合镀层剖面的扫描电镜照片。
图4是步骤三低温反应热处理后TiAl3镀层剖面的扫描电镜照片。
图5是网状结构TiB晶须陶瓷相的钉扎固定与分割作用以及TiAl3镀层的形成及演化过程演示图。
图6是实施例1表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料与未有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料在700℃高温氧化动力学曲线及样品宏观照片。
图7是实施例5表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料与未有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料在800℃高温氧化动力学曲线及样品宏观照片。
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：本实施方式表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料以TiBw/Ti复合材料为基材，表面具有致密的TiAl3层；且基材表面TiB晶须嵌入TiAl3层内；其中，增强相TiB晶须为网状分布。
本实施方式中的TiAl3保护层相当于被网状结构分割为无数个小尺寸网状单元，从而利用钉扎与分割双重效果保持TiAl3镀层与基材间的结合强度。
具体实施方式二：本实施方式表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料按以下步骤制备：
一、网状结构TiBw/Ti复合材料表面抛光，然后用酸性腐蚀液对表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料进行腐蚀；
二、热浸铝：将纯铝加热熔化并保持温度≤900℃，然后将步骤一酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中；
三、低温反应热处理：将步骤二经过热浸铝处理的复合材料放入温度为550～660℃的环境中保温时间2～8h；
四、将步骤三低温反应热处理过的复合材料放入碱性溶液中反应，即得到表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料。
本实施方式步骤一进行酸性腐蚀将网状结构TiBw/Ti复合材料表面的钛合金腐蚀掉，留下突出的网状分布的TiB晶须陶瓷相，如图1和图2所示。
本实施方式步骤二将酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中，通过铝与钛之间的化学反应在网状结构TiBw/Ti复合材料表面形成TiAl3镀层。由于铝为熔融状态，所以反应速度较快，制备耗时少。温度越高，或者网状结构TiBw/Ti复合材料浸入 时间越长，TiAl3镀层的厚度越厚。
因为液态铝的扩散速度较快，而固态的钛扩散速度较慢，在步骤二热浸铝过程中形成的TiAl3镀层实际是TiAl3与Al的混合层，如图3所示。
本实施方式步骤二热浸铝温度不超过900℃，如果热浸铝温度超过900℃容易形成TiAl、TiAl2、Ti3Al等相，而TiAl、TiAl2、Ti3Al的高温抗氧化性能远不及TiAl3好。
本实施方式步骤三对经过热浸铝处理的复合材料进行低温反应热处理，低温反应热处理过程中通过Ti与Al的固相扩散与低温反应，使TiAl3与Al混合层中的Al和表面粘附的Al继续与基材中的Ti继续反应，最终形成致密的单一TiAl3镀层，如图4所示；这个过程中镀层厚度同时增加。由于步骤三低温反应热处理镀层完全形成致密的TiAl3层，TiAl3容易与Al开裂，这是TiAl3层与Al层热膨胀系数差异大所导致的；而TiAl3与Ti之间没有开裂，也说明了网状结构起到了钉扎和固定作用。
本实施方式步骤三低温反应热处理的温度为550～660℃，如果温度超过660℃，TiAl3与Al混合层中的Al及外面粘附的铝会熔化流出，导致TiAl3镀层的致密度下降，形成多孔的TiAl3，使TiAl3镀层抗氧化性能大幅降低。另外，铝熔化后剩下的微孔也会成为氧的扩散通道，损伤镀层的抗氧化性能。
本实施方式步骤四利用NaOH与Al反应，但NaOH不能与Ti及TiAl3发生反应的特性将复合材料表面多余的铝溶解，从而在网状结构TiBw/Ti复合材料表面获得单一致密的TiAl3镀层。
本实施方式方法可以对任意尺寸及任意形状的工件进行处理。
本实施方式网状分布TiB晶须陶瓷相的钉扎固定与分割作用以及TiAl3镀层的形成及演化过程如图5所示。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二的不同点是：步骤一中酸性腐蚀液按体积百分比由5％的HF、15％的HNO3和80％H2O组成。其它步骤及参数与实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三的不同点是：步骤一中表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料酸性腐蚀时间为5～15s。其它步骤及参数与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至四之一的不同点是：步骤二中酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中10～60min。其它步骤及参数与实施方式二至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一的不同点是：步骤四中碱性溶液为体积浓度是15％的NaOH溶液。其它步骤及参数与实施方式二至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一的不同点是：步骤二中纯铝加热熔化，温度为700～900℃。其它步骤及参数与实施方式二至六之一相同。
实施例1
表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料按以下步骤制备：
一、网状结构TiBw/Ti复合材料表面抛光，然后用酸性腐蚀液对表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料进行腐蚀；
二、热浸铝：将纯铝加热熔化并保持温800℃，然后将步骤一酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中；
三、低温反应热处理：将步骤二经过热浸铝处理的复合材料放入温度为650℃的环境中保温时间5h；
四、将步骤三低温反应热处理过的复合材料放入体积浓度是15％的NaOH溶液中反应，即得到表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料。
其中，步骤一中酸性腐蚀液按体积百分比由5％的HF、15％的HNO3和80％H2O组成；表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料酸性腐蚀时间为5～15s；
步骤二中酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中30min。
本实施例中步骤二反应结束后TiAl3与Al混合镀层厚度为45微米。本实施例获得的TiAl3镀层厚度为60微米。
本实施例制备出的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料在700℃氧化100小时，试样增重率为0.63mg/cm2。本实施例制备出的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料高温受热后不产生裂纹，TiAl3镀层不脱落。
实施例2
表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料按以下步骤制备：
一、网状结构TiBw/Ti复合材料表面抛光，然后用酸性腐蚀液对表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料进行腐蚀；
二、热浸铝：将纯铝加热熔化并保持温720℃，然后将步骤一酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中；
三、低温反应热处理：将步骤二经过热浸铝处理的复合材料放入温度为560℃的环境 中保温时间3h；
四、将步骤三低温反应热处理过的复合材料放入体积浓度是15％的NaOH溶液中反应，即得到表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料。
其中，步骤一中酸性腐蚀液按体积百分比由5％的HF、15％的HNO3和80％H2O组成；表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料酸性腐蚀时间为5～15s；
步骤二中酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中50min。
本实施例中步骤二反应结束后TiAl3与Al混合镀层厚度为40微米。本实施例获得的TiAl3镀层厚度为55微米。
本实施例制备出的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料在750℃氧化100小时，试样增重率为0.75mg/cm2。
实施例3
表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料按以下步骤制备：
一、网状结构TiBw/Ti复合材料表面抛光，然后用酸性腐蚀液对表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料进行腐蚀；
二、热浸铝：将纯铝加热熔化并保持温800℃，然后将步骤一酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中；
三、低温反应热处理：将步骤二经过热浸铝处理的复合材料放入温度为630℃的环境中保温时间6h；
四、将步骤三低温反应热处理过的复合材料放入体积浓度是15％的NaOH溶液中反应，即得到表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料。
其中，步骤一中酸性腐蚀液按体积百分比由5％的HF、15％的HNO3和80％H2O组成；表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料酸性腐蚀时间为5～15s；
步骤二中酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中60min。
本实施例中步骤二反应结束后TiAl3与Al混合镀层厚度为110微米。本实施例获得的TiAl3镀层厚度为140微米。
本实施例制备出的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料在700℃氧化100小时，试样增重率为0.57mg/cm2。
实施例4
表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料按以下步骤制备：
一、网状结构TiBw/Ti复合材料表面抛光，然后用酸性腐蚀液对表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料进行腐蚀；
二、热浸铝：将纯铝加热熔化并保持温750℃，然后将步骤一酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中；
三、低温反应热处理：将步骤二经过热浸铝处理的复合材料放入温度为600℃的环境中保温时间5h；
四、将步骤三低温反应热处理过的复合材料放入体积浓度是15％的NaOH溶液中反应，即得到表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料。
其中，步骤一中酸性腐蚀液按体积百分比由5％的HF、15％的HNO3和80％H2O组成；表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料酸性腐蚀时间为5～15s；
步骤二中酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中30min。
本实施例中步骤二反应结束后TiAl3与Al混合镀层厚度为35微米。本实施例获得的TiAl3镀层厚度为48微米。
本实施例制备出的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料在750℃氧化100小时，试样增重率为0.80mg/cm2。
实施例5
表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料按以下步骤制备：
一、网状结构TiBw/Ti复合材料表面抛光，然后用酸性腐蚀液对表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料进行腐蚀；
二、热浸铝：将纯铝加热熔化并保持温900℃，然后将步骤一酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中；
三、低温反应热处理：将步骤二经过热浸铝处理的复合材料放入温度为650℃的环境中保温时间8h；
四、将步骤三低温反应热处理过的复合材料放入体积浓度是15％的NaOH溶液中反应，即得到表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料。
其中，步骤一中酸性腐蚀液按体积百分比由5％的HF、15％的HNO3和80％H2O组成；表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料酸性腐蚀时间为5～15s；
步骤二中酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中20min。
本实施例中步骤二反应结束后TiAl3与Al混合镀层厚度为80微米。本实施例获得的 TiAl3镀层厚度为100微米。
本实施例制备出的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料在800℃氧化100小时，试样增重率为0.89mg/cm2。本实施例制备出的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料高温受热后不产生裂纹，TiAl3镀层不脱落。
实施例6
表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料按以下步骤制备：
一、网状结构TiBw/Ti复合材料表面抛光，然后用酸性腐蚀液对表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料进行腐蚀；
二、热浸铝：将纯铝加热熔化并保持温750℃，然后将步骤一酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中；
三、低温反应热处理：将步骤二经过热浸铝处理的复合材料放入温度为580℃的环境中保温时间6h；
四、将步骤三低温反应热处理过的复合材料放入体积浓度是15％的NaOH溶液中反应，即得到表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料。
其中，步骤一中酸性腐蚀液按体积百分比由5％的HF、15％的HNO3和80％H2O组成；表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料酸性腐蚀时间为5～15s；
步骤二中酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中40min。
本实施例中步骤二反应结束后TiAl3与Al混合镀层厚度为70微米。本实施例获得的TiAl3镀层厚度为85微米。
本实施例制备出的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料在800℃氧化100小时，试样增重率为0.96mg/cm2。
实施例7
表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料按以下步骤制备：
一、网状结构TiBw/Ti复合材料表面抛光，然后用酸性腐蚀液对表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料进行腐蚀；
二、热浸铝：将纯铝加热熔化并保持温850℃，然后将步骤一酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中；
三、低温反应热处理：将步骤二经过热浸铝处理的复合材料放入温度为630℃的环境中保温时间7h；
四、将步骤三低温反应热处理过的复合材料放入体积浓度是15％的NaOH溶液中反应，即得到表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料。
其中，步骤一中酸性腐蚀液按体积百分比由5％的HF、15％的HNO3和80％H2O组成；表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料酸性腐蚀时间为5～15s；
步骤二中酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中30min。
本实施例中步骤二反应结束后TiAl3与Al混合镀层厚度为90微米。本实施例获得的TiAl3镀层厚度为125微米。
本实施例制备出的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料在800℃氧化100小时，试样增重率为0.85mg/cm2。
Claims (6)
1.表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料的制备方法，其特征在于表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料按以下步骤制备：
一、网状结构TiBw/Ti复合材料表面抛光，然后用酸性腐蚀液对表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料进行腐蚀；
二、热浸铝：将纯铝加热熔化并保持温度≤900℃，然后将步骤一酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中；
三、低温反应热处理：将步骤二经过热浸铝处理的复合材料放入温度为550～660℃的环境中保温时间2～8h；
四、将步骤三低温反应热处理过的复合材料放入碱性溶液中反应，即得到表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料；
其中，所述表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料以TiBw/Ti复合材料为基材，表面具有致密的TiAl3层；且基材表面TiB晶须嵌入TiAl3层内；其中，增强相TiB晶须为网状分布。
2.根据权利要求1所述的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中酸性腐蚀液按体积百分比由5％的HF、15％的HNO3和80％H2O组成。
3.根据权利要求2所述的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料酸性腐蚀时间为5～15s。
4.根据权利要求1所述的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中10～60min。
5.根据权利要求1所述的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中碱性溶液为体积浓度是15％的NaOH溶液。
6.根据权利要求1所述的表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中纯铝加热熔化，温度为700～900℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |