CN107414086B

CN107414086B - 一种碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金及其制备方法

Info

Publication number: CN107414086B
Application number: CN201710693067.1A
Authority: CN
Inventors: 艾桃桃; 费岩晗; 刘芳; 袁新强; 董洪峰; 李文虎; 王维
Original assignee: Shaanxi University of Technology
Current assignee: Shaanxi University of Technology
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2019-01-22
Anticipated expiration: 2037-08-14
Also published as: CN107414086A

Abstract

本发明提供一种碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金及其制备方法。本发明提供的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，包括交替层叠排列的碳化物‑TiAl合金层和钛合金层；所述钛合金层中设置有贯通结构，所述贯通结构的两个开口分别位于钛合金层的上下表面，所述贯通结构中填充有碳化物‑TiAl合金，所述钛合金层相邻两侧的碳化物‑TiAl合金层通过贯通结构中的碳化物‑TiAl合金连接；所述碳化物‑TiAl合金层和钛合金层之间以及贯通结构中的碳化物‑TiAl合金和钛合金之间通过Ti₃Al界面层连接；所述碳化物‑TiAl合金层和碳化物‑TiAl合金中的碳化物包括Ti₂AlC和Ti₃AlC₂。

Description

一种碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金及其制备方法。

背景技术

钛铝金属间化合物金属键和共价键共存，同时具有金属和陶瓷的优良性能，可取代密度大的镍基、钴基等高温合金，制作某些航空航天结构件以及地面动力系统转动或往复运动结构件，实现推力重量比值和燃油效率的大幅度提高，是一种在航空航天、汽车等领域具有重要应用前景的新型轻质耐高温结构材料。但是TiAl基合金最为突出的问题在于室温本征脆性，导致其难以加工变形，大大限制了其应用领域。

经过近几十年的研究发现，合金化、热加工和复合化技术是较为有效改善Ti-Al基合金性能的方式。合金化技术提高Ti-Al基合金室温塑性主要基于三种机制：(1)细化晶粒；(2)调控合金组织；(3)净化合金，减小环境脆性。但合金元素对Ti-Al基合金性能的影响机制很复杂，相关基础理论研究仍需深入开展。通过精确控制热加工工艺参数可细化晶粒、优化织构及减少成分偏析等，成为解决Ti-Al基合金室温脆性的另一有效途径。但热加工技术影响因素复杂，对工艺过程控制要求高。总之，仅靠合金化和热加工技术虽然能够改善Ti-Al基合金的综合性能，但难以根本解决。复合化技术是一种简单有效和广泛使用的方法，复合化技术主要通过引入合适的第二相去改善TiAl基合金的综合性能。到目前为止，Al₂O₃、SiC、Ti₅Si₃、TiB₂等陶瓷粒子都已被用于改善TiAl基合金的性能。但是上述几种陶瓷粒子对于TiAl基合金的改善效果有限，TiAl基合金强度-塑性相互“倒置”的关系依然是一个突出的问题，如何协调和平衡强度和韧性或塑性之间的矛盾，在提高强度的同时保持甚至增加韧性，已成为国内外普遍关注的重大科学问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金及其制备方法。本发明提供的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金同时具有良好的强度和韧性。

本发明提供了一种碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，包括交替层叠排列的碳化物-TiAl合金层和钛合金层；所述钛合金层中设置有贯通结构，所述贯通结构的两个开口分别位于钛合金层的上下表面，所述贯通结构中填充有碳化物-TiAl合金，所述钛合金层相邻两侧的碳化物-TiAl合金层通过贯通结构中的碳化物-TiAl合金连接；所述碳化物-TiAl合金层和钛合金层之间以及贯通结构中的碳化物-TiAl合金和钛合金之间通过Ti₃Al界面层连接；所述碳化物-TiAl合金层和碳化物-TiAl合金中的碳化物包括Ti₂AlC和Ti₃AlC₂。

优选的，每层碳化物-TiAl合金层的厚度独立地为0.3～1.5mm。

优选的，所述碳化物-TiAl合金层中Ti元素、Al元素与碳化物的摩尔比为(1.098～1.29):(1.098～1.29):(0.056～0.297)。

优选的，每层钛合金层的厚度独立地为0.2～0.5mm。

优选的，所述钛合金层的材质为TA钛合金、TB钛合金或TC钛合金。

优选的，每层碳化物-TiAl合金层和钛合金层之间的Ti₃Al界面层的厚度独立地为100～250μm。

优选的，每个贯通结构中碳化物-TiAl合金和钛合金层之间的Ti₃Al界面层的厚度独立地为50～150μm。

本发明提供了一种上述技术方案所述碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钛粉、铝粉和TiC粉混合，得到混合粉体；

(2)将所述步骤(1)中的混合粉体与带有贯通结构的钛合金薄板交替逐层堆叠，并且使混合粉体填充贯通结构，得到生坯；

(3)将所述步骤(2)得到的生坯进行烧结，得到碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金。

优选的，所述步骤(1)中钛粉、铝粉和TiC粉的质量比为(52.58～61.81):(29.64～34.83):(3.36～17.78)。

优选的，所述步骤(3)中烧结的温度为1000～1200℃，烧结的压力为30～40MPa，烧结的时间为2～5min。

本发明提供的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，包括交替层叠排列的碳化物-TiAl合金层和钛合金层；所述钛合金层中设置有贯通结构，所述贯通结构的两个开口分别位于钛合金层的上下表面，所述贯通结构中填充有碳化物-TiAl合金，所述钛合金层相邻两侧的碳化物-TiAl合金层通过贯通结构中的碳化物-TiAl合金连接；所述碳化物-TiAl合金层和钛合金层之间以及贯通结构中的碳化物-TiAl合金和钛合金之间通过Ti₃Al界面层连接；所述碳化物-TiAl合金层和碳化物-TiAl合金中的碳化物包括Ti₂AlC和Ti₃AlC₂。本发明通过在碳化物-TiAl合金层间设置韧性的钛合金层，二者交互重叠分布形成特殊层状结构，并且由于钛合金层中贯通结构的存在，实现了层与层之间的互相连接，此外，Ti₃Al-TiAl合金与钛合金之间通过Ti₃Al界面层实现良好的界面连接，使合金在保持高强硬度的同时，兼具良好韧性；此外，通过Ti₂AlC和Ti₃AlC₂作为碳化物增强相，其中的Ti-Al键具有非常明显的金属键特征，而Ti-C键主要是共价键和离子键，Ti₂AlC和Ti₃AlC₂同时兼具金属和陶瓷的双重性能，提高合金的强度和韧性。实验结果表明，本发明提供的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金垂直叠层方向弯曲强度为779.9～1447.67MPa，断裂韧性为37.53～69.07MPa·m^1/2；平行叠层方向弯曲强度为221.12～641.04MPa，断裂韧性为5.24～18.81MPa·m^1/2。

附图说明

图1为本发明实施例1中TC4钛合金箔加工模型及尺寸；

图2为本发明实施例1中碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金的叠层结构堆叠方式示意图；

图3为本发明实施例1中碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金经力学性能检测后的宏观照片；

图4为本发明实施例1中碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金SEM图；

图5为本发明实施例1中碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金的XRD图谱。

具体实施方式

本发明提供的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金包括交替层叠排列的碳化物-TiAl合金层和钛合金层。在本发明中，每层碳化物-TiAl合金层的厚度独立地优选为0.3～1.5mm，更优选为0.5～1.2mm，最优选为0.8～1.0mm。在本发明中，所述碳化物-TiAl合金层中Ti元素、Al元素与碳化物的摩尔比优选为(1.098～1.29):(1.098～1.29):(0.056～0.297)，更优选为(1.15～1.25):(1.15～1.25):(0.10～0.20)，最优选为1.2:1.2:0.15。

在本发明中，所述碳化物-TiAl合金层中的碳化物包括Ti₂AlC和Ti₃AlC₂。本发明对所述Ti₂AlC和Ti₃AlC₂的比例没有特殊的限定，以任意比例均可。在本发明中，所述碳化物-TiAl合金层中Ti₃Al相、TiAl相、Ti₂AlC相和Ti₃AlC₂相优选呈片层状或颗粒状。在本发明中，所述Ti₃Al相的尺寸优选为5～20μm，更优选为10～15μm；所述Ti₂AlC相的尺寸优选为5～30μm，更优选为10～25μm，最优选为15～20μm；所述Ti₃AlC₂相的尺寸优选为5～30μm，更优选为10～25μm，最优选为15～20μm。本发明通过Ti₂AlC和Ti₃AlC₂作为碳化物增强相，其中的Ti-Al键具有非常明显的金属键特征，而Ti-C键主要是共价键和离子键；Ti₂AlC和Ti₃AlC₂同时兼具金属和陶瓷的双重性能：金属性能如：室温具有良好的导热和导电性能，较低的维氏硬度和较高的杨氏模量和剪切模量，可进行切削加工，高温具有塑性；陶瓷性能如：具有高屈服强度、高熔点、高弹性模量、高热稳定性，良好的耐腐蚀性能和抗氧化性能；更为特别的是，具有非同寻常的耐磨性和自润滑性；其热膨胀系数与TiAl合金接近，与TiAl基合金实现更好的匹配，具有良好的增强相作用。

在本发明中，每层钛合金层的厚度独立地优选为0.2～0.5mm，更优选为0.3～0.4mm。在本发明中，所述钛合金层的材质优选为TA钛合金、TB钛合金或TC钛合金。在本发明中，所述TA钛合金优选为TA1钛合金或TA2钛合金；所述TB钛合金优选为TB7钛合金或TB8钛合金；所述TC钛合金优选为TC4钛合金或TC16钛合金。在本发明中，所述钛合金层为韧性相，与碳化物-TiAl合金层交互重叠分布，形成层状结构，提高合金韧性。

本发明对所述钛合金层的层数没有特殊的限定，根据产品的尺寸需要进行调整即可。在本发明的实施例中，所述钛合金层优选为3～9层，更优选为5～7层。

在本发明中，所述钛合金层中设置有贯通结构，所述贯通结构中填充有碳化物-TiAl合金，所述钛合金层相邻两侧的碳化物-TiAl合金层通过贯通结构中的碳化物-TiAl合金连接。本发明对所述贯通结构的尺寸和分布方式没有特殊的限定，能够保证钛合金层相邻两侧的碳化物-TiAl合金层连接即可。在本发明中，所述贯通结构优选为上下贯通的缝隙或通孔。

在本发明中，所述缝隙的宽度优选为0.2～0.3mm，更优选为0.25mm。在本发明中，所述缝隙优选为平行设置的直缝，更优选以钛合金层的上表面的中心轴为对称轴，对称轴两侧的缝隙交错设置。在本发明中，以所述对称轴为分界线，同侧的相邻缝隙间的间隔优选为1～1.5mm，更优选为1.26mm；两侧的相邻缝隙间的间隔优选为0.6～0.7mm，更优选为0.63mm。

在本发明中，所述通孔优选为圆孔或方孔。在本发明中，所述圆孔的直径和方孔的边长优选独立地为0.3～0.5mm，更优选为0.35～0.45mm。在本发明中，所述通孔优选呈平行点阵排列。在本发明中，所述通孔的间距优选为0.8～1.2mm，更优选为0.9～1.1mm。在本发明中，所述规则排列的贯通结构能够进一步保证层与层之间的连接力均匀。

在本发明中，所述贯通结构中填充的碳化物-TiAl合金中的碳化物包括Ti₂AlC和Ti₃AlC₂。在本发明中，所述贯通结构中填充的碳化物-TiAl合金的成分优选与碳化物-TiAl合金层相同。在本发明中，所述贯通结构实现了碳化物-TiAl合金层与层之间的互相连接，提高平行层叠方向的性能，使合金在保持高强硬度的同时，兼具良好韧性。

在本发明中，所述碳化物-TiAl合金层和钛合金层之间以及贯通结构中的碳化物-TiAl合金和钛合金之间通过Ti₃Al界面层连接。在本发明中，每层碳化物-TiAl合金层和钛合金层之间的Ti₃Al界面层的厚度独立地优选为100～250μm，更优选为150～200μm，最优选为180μm。在本发明中，每个贯通结构中碳化物-TiAl合金和钛合金层之间的Ti₃Al界面层的厚度独立地优选为50～150μm，更优选为80～120μm，最优选为100μm。在本发明中，所述碳化物-TiAl合金层和钛合金层之间以及贯通结构中的碳化物-TiAl合金和钛合金之间通过Ti₃Al界面层连接，Ti₃Al界面层使碳化物-TiAl合金和钛合金之间结合良好，充分发挥钛合金层的韧性，达到韧性与强度的更好配合。

本发明还提供了上述技术方案所述碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钛粉、铝粉和TiC粉混合，得到混合粉体；

本发明将钛粉、铝粉和TiC粉混合，得到混合粉体。在本发明中，所述钛粉、铝粉和TiC粉的质量比优选为(52.58～61.81):(29.64～34.83):(3.36～17.78)，更优选为(55～60):(30～34):(5～15)，最优选为58:32:10。本发明对所述钛粉、铝粉和TiC粉的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述钛粉、铝粉和TiC粉的粒度优选独立地为200目以上，更优选为400～1000目，最优选为600～800目。

本发明对所述混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合粉体的技术方案即可。在本发明中，所述混合优选为球磨，更优选为干法球磨。在本发明中，所述球磨的球料比优选为3～5:1，更优选为4:1；所述球磨的转速优选为300～500r/min，更优选为350～450r/min；所述球磨的时间优选为30～60min，更优选为40～50min。在本发明中，所述球磨使钛粉与铝粉混合均匀，最终得到成分均匀的碳化物-TiAl合金，进一步提高合金的强度和韧性。

得到混合粉体后，本发明将所述混合粉体与带有贯通结构的钛合金薄板交替逐层堆叠，并且使混合粉体填充贯通结构，得到生坯。本发明对所述带有贯通结构的钛合金薄板的来源没有特殊的限定，采用市售产品或按照本领域技术人员熟知的制备方法制备得到即可。在本发明中，所述带有贯通结构的钛合金薄板优选为钛合金薄板经线切割加工得到。本发明对所述线切割的操作没有特殊的限定，能够加工得到所需贯通结构即可。

线切割完成后，本发明优选将所述线切割的产物进行洗涤和干燥，得到带有贯通结构的钛合金薄板。在本发明中，所述洗涤优选依次包括酸洗、水洗和丙酮洗。在本发明中，所述酸洗、水洗和丙酮洗的次数优选独立的为1～2次。在本发明的实施例中，所述酸洗的洗液优选为10wt％的HF溶液。在本发明中，所述洗涤能够去除线切割表面的氧化膜，得到良好的界面。

本发明对所述干燥的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的金属干燥的技术方案即可。在本发明中，所述干燥优选为真空干燥；所述干燥的真空度优选为0.1Pa以下；所述干燥的温度优选为25～40℃，更优选为30～35℃；所述干燥的时间优选为30～60min，更优选为40～50min。

本发明对所述钛合金薄板的形状和尺寸没有特殊的限定，根据产品需要进行调整即可。在本发明的实施例中，所述钛合金薄板优选为圆形；所述钛合金薄板的直径优选为30～40cm。

本发明对所述混合粉体与带有贯通结构的钛合金薄板堆叠的操作没有特殊的限定，能够形成交替层叠排列的结构即可。在本发明中，所述堆叠优选在模具中进行；所述模具的材质优选为石墨。

得到生坯后，本发明将所述生坯进行烧结，得到碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金。在本发明中，所述烧结的温度优选为1000～1200℃，更优选为1050～1150℃，最优选为1100℃；所述烧结的压力优选为30～40MPa，更优选为35Pa；所述烧结的时间优选为2～5min，更优选为3～4min。在本发明中，所述烧结过程中碳化物-TiAl合金与钛合金的接触面上发生扩散反应，形成Ti₃Al界面层；TiC与Ti-Al合金反应，生成碳化物Ti₂AlC和Ti₃AlC₂，进一步提高合金强度。

由于参与扩散反应的合金量极少，在本发明中，所述碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金中碳化物-TiAl合金层和贯通结构中填充的碳化物-TiAl合金的成分优选按照混合粉体烧结得到的成分计。

在本发明中，所述烧结优选为热压烧结或放电等离子烧结，更优选为放电等离子烧结。在本发明中，所述放电等离子烧结通过脉冲电流作用，在粉体表面形成趋肤电流，在颗粒间放电可产生等离子促进粉体与钛合金之间的有机结合，实现快速烧结致密化，既保留了钛合金韧化层，还能抑制脆性相的大量形成和界面反应层的厚度，大大优化叠层结构，并且提高界面的结合效果；此外，TiC的引入一定程度上也抑制了强界面反应，将大大优化叠层结构及提高界面结合效果。

在本发明中，升温至所述烧结的温度的过程优选依次包括第一加热和第二加热。在本发明中，所述第一加热的加热速率优选为45～55℃/min，更优选为50℃/min；所述第一加热的终点温度优选为850～950℃，更优选为900℃。在本发明中，所述第二加热的加热速率优选为180～220℃/min，更优选为200℃/min；所述第二加热的终点温度优选为烧结的温度。在本发明中，所述升温方式能够实现粉末层和钛合金层间的快速结合，抑制晶粒长大和界面层厚度。

本发明对所述加压的速率没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的逐渐加压的方式即可。在本发明中，优选在加热至烧结的温度时使压力达到烧结的压力。

烧结完成后，本发明优选将所述烧结的产物进行冷却，得到碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金。本发明对所述冷却的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的随炉冷却的方案即可。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1:

(1)如图1所示，将Φ30mm、厚度为0.3mm的TC4钛合金(Ti-6Al-4V)薄板开孔，孔的直径为0.5mm，纵向和横向圆孔与圆孔之间的距离为1mm，然后将多孔TC4钛合金薄板线切割加工成Φ30mm的圆片，然后用10wt％HF溶液酸洗去除表面氧化膜，再用蒸馏水清洗，随后用丙酮冲洗，在真空度0.05Pa，温度30℃下进行真空干燥处理30min；

(2)按照59.77Ti-33.69Al-6.54TiC(wt％)称量粉体，用球磨机干法混合4h，球料比4:1，转速500r/min，球磨30min，混合完毕后过200目筛备用；

(3)如图2所示，将处理好的钛合金薄板与59.77Ti-33.69Al-6.54TiC(wt％)混合粉体逐层堆叠在石墨模具内，钛合金层数为3层，采用放电等离子烧结系统进行样品制备，烧结工艺为：以50℃/min的升温速率从室温升至900℃，随后200℃/min的升温速率升温至1100℃，最后在1100℃保温3min，成形压力为35MPa。随炉自然冷却即得碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，样品总厚度控制在6mm。

本实施例制备的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金经力学性能检测后的宏观照片如图3所示。由图3可见，力学性能检测后，样品未发生断裂，表明钛合金箔发挥了较好的增强增韧作用。

本实施例制备的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金的SEM图如图4所示。由图4可见，钛合金层和碳化物-TiAl合金层之间的界面结合良好，图中左边为钛合金层，右边为碳化物-TiAl合金层，白色的为碳化物相。

本实施例制备的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金的TiAl合金XRD图谱如图5所示。由图5可见，合金的碳化物-TiAl合金层主要由TiAl、Ti₃Al、Ti₂AlC和Ti₃AlC₂相组成。

为本实施例制备的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金的力学性能如表1所示。采用三点弯曲法测量碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金垂直叠层结构方向的弯曲强度为779.9MPa，平行叠层结构方向的弯曲强度为221.12MPa；采用三点弯曲单边切口梁法(SENB)测量其垂直叠层结构方向的断裂韧性为37.53MPa·m^1/2，平行叠层结构方向的断裂韧性为5.24MPa·m^1/2。

实施例2:

(1)将厚度为0.3mm的TC4钛合金(Ti-6Al-4V)薄板开孔，孔的直径为0.5mm，纵向和横向圆孔与圆孔之间的距离为1mm，然后将多孔TC4钛合金薄板线切割加工成Φ30mm的圆片，然后用10wt％HF溶液酸洗去除表面氧化膜，再用蒸馏水清洗，随后用丙酮冲洗，在真空度0.05Pa，温度40℃下进行真空干燥处理30min；

(3)将处理好的钛合金薄板与59.77Ti-33.69Al-6.54TiC(wt％)混合粉体逐层堆叠在石墨模具内，钛合金层为5层，采用放电等离子烧结系统进行样品制备，烧结工艺为：以50℃/min的升温速率从室温升至900℃，随后200℃/min的升温速率升温至1100℃，最后在1100℃保温3min，成形压力为35MPa；随炉自然冷却即得碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，样品总厚度控制在6mm。

本实施例制备的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金的力学性能如表1所示。采用三点弯曲法测量碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金垂直叠层结构方向的弯曲强度为1246.56MPa，平行叠层结构方向的弯曲强度为357.16MPa；采用三点弯曲单边切口梁法(SENB)测量其垂直叠层结构方向的断裂韧性为51.43MPa·m^1/2，平行叠层结构方向的断裂韧性为11.14MPa·m^1/2。

实施例3:

(1)将厚度为0.3mm的TC4钛合金(Ti-6Al-4V)薄板开孔，孔的直径为0.5mm，纵向和横向圆孔与圆孔之间的距离为1mm，然后将多孔TC4钛合金薄板线切割加工成Φ30mm的圆片，然后用10wt％HF溶液酸洗去除表面氧化膜，再用蒸馏水清洗，随后用丙酮冲洗，在真空度0.08Pa，温度30℃下进行真空干燥处理30min；

(3)将处理好的钛合金薄板与59.77Ti-33.69Al-6.54TiC(wt％)混合粉体逐层堆叠在石墨模具内，钛合金层为7层，采用放电等离子烧结系统进行样品制备，烧结工艺为：以50℃/min的升温速率从室温升至900℃，随后200℃/min的升温速率升温至1100℃，最后在1100℃保温3min，成形压力为35MPa；随炉自然冷却即得碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，样品总厚度控制在6mm。

本发明制备的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金的力学性能如表1所示。采用三点弯曲法测量实施例3制备的5层碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金垂直叠层结构方向的弯曲强度为1373.92MPa，平行叠层结构方向的弯曲强度为547.21MPa；采用三点弯曲单边切口梁法(SENB)测量其垂直叠层结构方向的断裂韧性为69.07MPa·m^1/2，平行叠层结构方向的断裂韧性为16.89MPa·m^1/2。

实施例4：

(3)将处理好的钛合金薄板与59.77Ti-33.69Al-6.54TiC(wt％)混合粉体逐层堆叠在石墨模具内，钛合金层为9层，采用放电等离子烧结系统进行样品制备，烧结工艺为：以50℃/min的升温速率从室温升至900℃，随后200℃/min的升温速率升温至1100℃，最后在1100℃保温3min，成形压力为35MPa；随炉自然冷却即得周期性碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，样品总厚度控制在6mm。

本实施例制备的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金的力学性能如表1所示。采用三点弯曲法测量碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金垂直叠层结构方向的弯曲强度为1447.67MPa，平行叠层结构方向的弯曲强度为641.04MPa；采用三点弯曲单边切口梁法(SENB)测量其垂直叠层结构方向的断裂韧性为63.41MPa·m^1/2，平行叠层结构方向的断裂韧性为18.81MPa·m^1/2。

表1实施例1～4中碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金的力学性能

由以上实施例可以看出，本发明提供的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金同时具有良好的强度和韧性，垂直叠层方向的弯曲强度为779.9～1447.67MPa，断裂韧性为37.53～69.07MPa·m^1/2；平行叠层方向的弯曲强度为221.12～641.04MPa，断裂韧性为5.24～18.81MPa·m^1/2。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，包括交替层叠排列的碳化物-TiAl合金层和钛合金层；所述钛合金层中设置有贯通结构，所述贯通结构的两个开口分别位于钛合金层的上下表面，所述贯通结构中填充有碳化物-TiAl合金，所述钛合金层相邻两侧的碳化物-TiAl合金层通过贯通结构中的碳化物-TiAl合金连接；所述碳化物-TiAl合金层和钛合金层之间以及贯通结构中的碳化物-TiAl合金和钛合金之间通过Ti₃Al界面层连接；所述碳化物-TiAl合金层和碳化物-TiAl合金中的碳化物包括Ti₂AlC和Ti₃AlC₂。

2.根据权利要求1所述的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，其特征在于，每层碳化物-TiAl合金层的厚度独立地为0.3～1.5mm。

3.根据权利要求1或2所述的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，其特征在于，所述碳化物-TiAl合金层中Ti元素、Al元素与碳化物的摩尔比为(1.098～1.29):(1.098～1.29):(0.056～0.297)。

4.根据权利要求1所述的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，其特征在于，每层钛合金层的厚度独立地为0.2～0.5mm。

5.根据权利要求1或4所述的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，其特征在于，所述钛合金层的材质为TB钛合金或TC钛合金。

6.根据权利要求1所述的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，其特征在于，每层碳化物-TiAl合金层和钛合金层之间的Ti₃Al界面层的厚度独立地为100～250μm。

7.根据权利要求1所述的碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金，其特征在于，每个贯通结构中碳化物-TiAl合金和钛合金层之间的Ti₃Al界面层的厚度独立地为50～150μm。

8.权利要求1～7任意一项所述碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钛粉、铝粉和TiC粉混合，得到混合粉体；

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中钛粉、铝粉和TiC粉的质量比为(52.58～61.81):(29.64～34.83):(3.36～17.78)。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中烧结的温度为1000～1200℃，烧结的压力为30～40MPa，烧结的时间为2～5min。