CN105112697A - (Ti@Al3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法 - Google Patents

Abstract

(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，其步骤为：将纯钛粉与铝合金粉球磨混合均匀，在压力机上冷压成块，将压块放入真空炉内在铝合金半固态温度范围内加热至在钛粉表面形成一层厚度约为钛粉直径的20%-40%的致密的Al₃Ti壳后，迅速取出放入预热好的模具中进行触变成形，即可制备成形出TiAl₃Ti芯-壳结构粒子增强Al基复合材料。

Description

(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料的制备技术，具体是粉末触变成形技术制备TiAl₃Ti芯-壳结构粒子增强铝基自生复合材料的制备方法。

背景技术

Al₃Ti金属间化合物因其硬度高、高温力学性能和抗氧化性优异，特别是膨胀系数低、密度小，与Al合金复合不会在界面处产生大的残余应力，且更能体现质轻的特点，是铝基复合材料理想的增强体。目前制备Al₃Ti粒子（Al₃Ti_p）增强Al基自生复合材料（Al₃Ti_p/Al）最常用的方法为粉末冶金法，其过程是将Al合金粉末与Ti或TiO₂粉末混合、压块、真空干燥后，在低于Al合金固相线温度无压或加压反应烧结。但因该方法反应温度低（600℃或以下），耗时长（5h以上），不仅能耗大，而且合金元素烧损严重，生产效率低，尤为重要的是所得材料因Kirkendall效应产生的孔隙致使组织致密性差，且成形件的尺寸和形状受限较大。尽管采用微波、等离子体等烧结技术可明显改善致密性，但仍存在相当比例的孔隙，或者采用后续的再加工，如轧制、搅拌摩擦加工等能获得组织致密的材料，但增加了成本，且对大尺寸，尤其是复杂形状零件的难以加工。更为重要的是Al₃Ti脆性大，与其它微米级金属间化合物或陶瓷粒子增强的Al基复合材料相似，在提高Al合金强度的同时，韧性急剧下降，这是除制造技术外，限制粒子（金属间化合物、陶瓷）增强金属基复合材料应用的第二个主要因素。原因是在外力作用下，当增强体/基体界面处的应力达到一定程度时，Al₃Ti_p粒子（Al₃Ti_p）很容易破碎，从而瞬时产生粒子尺寸大小的裂纹，经失稳、扩展后使材料过早断裂。断裂理论认为在一定应力下，只有当裂纹的尺寸达到一定长度时才会失稳、扩展。因此，减小粒子尺寸可有效遏制裂纹的扩展，保持材料的韧性。但要获得小尺寸，比如纳米尺寸的Al₃Ti_p势必先得到Ti纳米粉末，而生产Ti纳米粉除技术上的困难外，还使制造成本急剧增加。现有研究发现，在反应烧结的过程中，Al₃Ti是逐层向Ti粉内生成，可形成芯部为Ti、外壳为Al₃Ti化合物的芯-壳结构的粒子。可以推断：当Al₃Ti外壳的厚度达到一定程度时，这种芯-壳结构的粒子对材料的增强作用将与全部为Al₃Ti的粒子接近或相当，但在外力作用下，因破碎形成的裂纹仅限于Al₃Ti壳内，其尺寸大大减小；另外，裂纹的两端分别与软的Al基体和Ti芯相连，使裂纹尖端钝化，从而延缓、阻碍了裂纹的扩展。即TiAl₃Ti芯-壳结构粒子（TiAl₃Ti_p）增强的Al基复合材料（TiAl₃Ti_p/Al）具有比Al₃Ti_p/Al基复合材料更好的力学性能，尤其是更好的韧性。

而于1970's发展起来的触变成形技术，不仅能大幅度减少、甚至消除缩松、气孔等孔隙，而且还能成形近净型的大尺寸、复杂形状的薄壁件，而近净型对于难加工的颗粒增强金属基复合材料尤为重要。另外粉末冶金法所用原材料通常用雾化法获得，不仅自身尺寸小，而且组织也十分细小，将粉末压块部分重熔可得到初生相颗粒细小、圆整的半固态组织，是触变成形所需的理想组织。如果将粉末冶金技术和触变成形技术相结合，便可得到一种集制备和成形结构型TiAl₃Ti芯-壳结构粒子（TiAl₃Ti_p）增强的Al基复合材料于一体的新技术――粉末触变成形：先以粉末冶金法的混粉和压实步骤得到Al合金粉末和Ti粉末混合均匀的压块，然后在真空炉中加热到Al合金的半固态温度进行部分重熔，当加热一定的时间，不仅固态Ti粉与液相中的Al元素反应形成增强体Al₃Ti粒子（Al₃Ti_p），完成了Al₃Ti_p壳层的反应生成，而且也获得了初生相颗粒细小、圆整、组织致密、少孔隙的触变成形用非枝晶半固态锭料，待Ti粉表面形成的TiAl₃Ti芯-壳结构粒子且大部分没有破裂后进行触变成形。

发明内容

本发明的目的是提供一种(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法。

本发明是(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，其步骤为：将纯钛粉与铝合金粉球磨混合均匀，在压力机上冷压成块，将压块放入真空炉内在铝合金半固态温度范围内加热至在钛粉表面形成一层尽可能厚的致密Al₃Ti壳后，迅速取出放入预热好的模具中进行触变成形，即可制备成形出TiAl₃Ti芯-壳结构粒子增强Al基复合材料。

本发明的有益之处为：工艺过程相对简单，所得材料成本低，且组织致密，容易获得形状复杂的大尺寸零件。其综合了粉末冶金和触变成形技术的优点，是一种集制备和成形TiAl₃Ti芯-壳结构粒子增强Al基复合材料于一体的新技术。

附图说明

图1、图2是590℃加热60min后触变成形材料的光学照片，图3、图4是595℃加热50min后触变成形材料的光学照片，图5、图6是605℃加热45min后触变成形材料的光学照片，图7、图8是615℃加热40min后触变成形材料的光学照片，图9是590℃加热60min后触变成形的X射线衍射图谱。

具体实施方式

本发明是(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，其步骤为：将纯钛粉与铝合金粉球磨混合均匀，在压力机上冷压成块，将压块放入真空炉内在铝合金半固态温度范围内加热至在钛粉表面形成一层尽可能后的致密Al₃Ti壳后，迅速取出放入预热好的模具中进行触变成形，即可制备成形出TiAl₃Ti芯-壳结构粒子增强Al基复合材料。

根据以上所述的(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，纯钛粉与铝合金粉混合球磨时间为0.5h-1h,球料比为5:1，转速100r/min。

根据以上所述的(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，压块制备的压力范围为144MPa-224MPa。

根据以上所述的(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，对于A356铝合金，其适合的半固态温度范围在590℃-615℃之间，对应的固相率在40%-60%之间。

根据以上所述的(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，加热时间决定于反应速度，以形成尽可能后的致密壳层为准，反应时间范围为40min-60min。

根据以上所述的(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，模具预热温度为200℃-350℃。

本发明的关键有两点，一是获得Al₃Ti壳层致密且有一定厚度TiAl₃Tp，二是得到固相体积分数适合（对于触变成形一般为40-60%）且初生相可以圆整的非枝晶半固态组织。而这两点均决定于部分重熔过程中的加热温度和加热时间，加热温度越高，反应速率越快，越易形成Al₃Ti壳，所需时间越短，但固相率越低。对于触变成形一般将固相率控制在40-60%之间；加热时间以Ti粉表面形成尽量厚且无裂纹的Al₃Ti壳层为准。粉末的配比决定了所形成TiAl₃Tip的含量，Ti粉比例越高，形成的TiAl₃Tip含量越高。对于A356合金，当固相率在40%-60%之间时，合适的加热温度在590℃-615℃之间，形成致密Al₃Ti壳的反应时间为40min-60min。

实施例1：

本实施例是以平均粒径为17.192um的Ti粉和平均粒径为16.25um的A356铝合金粉末为原材料，制备体积分数为10%的TiAl₃Ti芯-壳结构粒子增强A356铝基自生复合材料。通过计算，Ti与A356铝合金粉重量比为1:20，按此配比称取原材料，在球磨机中球磨40min，球料比5:1，然后放入压力机模具用190MPa的压力压制成Φ50×30mm压块，将压块在真空炉内在590℃加热60min后，迅速取出放入温度为200℃的模具中进行触变成形。所得材料的组织如图1、图2所示。在图1、图2中，可以清楚的看到，在590℃加热60min后成形的材料，其初生相颗粒细小圆整，Ti粉表面形成的Al₃Ti壳厚且致密。590℃所对应的固相率约为61%，是本发明所用的最低温度；60min是Ti粉表面形成厚且没有裂纹壳层的最长加热时间。通过XRD和EDS分析，表面壳层由Ti（Al,Si）₃和τ₂相（Al-Ti-Si三元相）组成。研究发现反应产物最初为τ₂相，随着时间的延长,将变为Al₃Ti相，但该相中部分Al原子倍Si原子替代，实则为Ti（Al,Si）₃相。

实施例2：

混粉及与压制块制备的工艺同实施例1。将压块在真空炉内在595℃加热50min后，迅速取出放入温度为200℃的模具中进行触变成形。所得材料的组织如图3、图4所示。在图3、图4中，可以清楚的看到，在595℃加热50min，其初生相颗粒细小圆整，Ti粉表面形成的Al₃Ti壳厚且致密。595℃所对应的固相率约为55%，通过XRD和EDS分析，表面壳层由Ti（Al,Si）₃和τ₂相（Al-Ti-Si三元相）组成。随着时间的延长,τ₂相逐渐减少，将变为Al₃Ti相，但该相中部分Al原子倍Si原子替代，实则为Ti（Al,Si）₃相。

实施例3：

混粉及与压制块制备的工艺同实施例1。将压块在真空炉内在605℃加热45min后，迅速取出放入温度为200℃的模具中进行触变成形。所得材料的组织如图5、图6所示。在图5、图6中，可以清楚的看到，在605℃加热45min，其初生相颗粒细小圆整，Ti粉表面形成的Al₃Ti壳厚且致密。605℃所对应的固相率约为49%，通过XRD和EDS分析，表面壳层由Ti（Al,Si）₃和少量τ₂相（Al-Ti-Si三元相）组成。

实施例4：

混粉及与压制块制备的工艺同实施例1。将压块在真空炉内在615℃加热40min后，取出并放入温度为200℃的模具中进行触变成形。所得材料的组织如图7、图8所示。在图7、8中，可以清楚的看到，在615℃加热40min，其初生相颗粒逐渐粗化形状圆整度降低，但Ti粉表面仍能形成的Al₃Ti壳厚且致密。615℃所对应的固相率约为41%，通过XRD和EDS分析，表面壳层由Ti（Al,Si）₃和少量τ₂相（Al-Ti-Si三元相）组成。

在图9中，通过XRD衍射分析可知在595℃加热50min后，Ti粉表面形成的TiAl₃Ti芯-壳结构粒子且大部分没有破裂，最后物相有剩余部分Ti。

由这四个实施例可以证明，利用粉末触变成形技术制备TiAl₃Ti芯-壳结构粒子增强铝基自生复合材料是可行的。

Claims (6)

1.(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，其特征在于，其步骤为：将纯钛粉与铝合金粉球磨混合均匀，在压力机上冷压成块，将压块放入真空炉内在铝合金半固态温度范围内加热至在钛粉表面形成一层厚度约为钛粉直径的20%-40%的致密的Al₃Ti壳后，迅速取出放入预热好的模具中进行触变成形，即可制备成形出TiAl₃Ti芯-壳结构粒子增强Al基复合材料。

2.根据权利要求1所述的(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，其特征在于，纯钛粉与铝合金粉混合球磨时间为0.5h-1h,球料比为5:1，转速100r/min。

3.根据权利要求1所述的(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，其特征在于，压块制备的压力范围为144MPa-224MPa。

4.根据权利要求1所述的(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，其特征在于，对于A356铝合金，其适合的半固态温度范围在590℃-615℃之间，对应的固相率在40%-60%之间。

5.根据权利要求1所述的(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，其特征在于，加热时间决定于反应速度，以形成尽可能后的致密壳层为准，反应时间范围为40min-60min。

6.根据权利要求1所述的(TiAl3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法，其特征在于，模具预热温度为200℃-350℃。