CN110527932B - 一种SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铸造及纤维复合材料制备领域，具体为一种SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，解决纤维在模具中的固定及在复合材料中均匀分布的问题，同时避免液态合金液直接与纤维接触反应严重的问题，简化制备工艺流程。该方法通过：(1)非自耗真空电弧熔炼母合金、(2)先驱体制备、(3)先驱体定位、(4)真空吸铸、(5)热等静压，先将SiC纤维制成先驱体，先驱体按体积分数和尺寸要求在模具中固定，与液态基体合金一起制备出SiC先驱体增强TiAl基复合材料。采用该制备工艺所制备的复合材料基体合金缺陷少，先驱体与基体合金结合紧密，纤维在复合材料中分布较均匀，复合材料干净无污染的优点。

Description

一种SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法

技术领域

本发明涉及铸造及纤维复合材料制备领域，具体为一种SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法。

背景技术

TiAl金属间化合物因其低密度、高比强度、高比模量、优异的抗蠕变及抗氧化能力，而被认为是一种理想的轻质高温材料，可在600℃～900℃之间替代镍基高温合金制作航空航天结构件及地面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大幅度提高。现已应用于美国GE公司先进航空发动机上，以及新型齿轮传动风扇发动机的高速三转子低压涡轮的第三级转子叶片上。但是受TiAl合金高温力学性能显著下降的影响，仅被用于低压涡轮叶片的末两级，为了提高其高温力学性能从而扩大其应用范围，近年来人们通过合金化的方法发展第三代TiAl合金，但其使用温度均难以超过750℃。

为了进一步提高TiAl合金高温力学性能，复合材料的思想被引入。SiC纤维增强金属基复合材料是利用高比强度、高比模量、高热稳定性的SiC纤维作为增强体与基体合金复合，通过①基体塑性变形、②纤维拔出、③纤维基体界面分析及裂纹偏转来达到增强增韧的目的。传统的制备SiC纤维增强金属基复合材料的方法主要有固态法和液态法：固态法有箔-纤维-箔法、粉末布法、热喷涂法、基体涂层法，制备流程是将TiAl粉末或者箔材与纤维按设计要求以一定的含量和分布方向排列在一起，再经热压形成复合材料。采用固态法来制备SiC纤维增强TiAl基复合材料虽然高温强度可以满足高温下使用的要求，但存在如下技术瓶颈而限制TiAl基复合材料的发展：①TiAl合金室温塑性差，加工成箔材较困难，加工成本较高；②TiAl合金性能对杂质十分敏感，而粉末表面吸附H、O等杂质导致热压后基体韧性低，综合性能差；③固态基体TiAl合金内部缺陷须在高于1200℃的温度热等静压下才能完全致密去除，而SiC纤维在此温度下损伤严重；④叶片类等复杂零件的近净成型难度大，成本高。液态法是指基体金属处于熔融状态下与SiC增强体复合在一起的方法，主要有压力渗透法、真空吸铸法，主要适用于一些低熔点的金属基体，如：镁、铝等合金。TiAl合金因其熔点高，活性大，很容易与其他物质及纤维在高温下反应；熔体粘度大，流动性差；铸件疏松倾向高等缺点，其铸造性能比较差，铸件缺陷较多。所以，采用液态法来制备SiC纤维增强TiAl基复合材料的想法一直被限制。

真空吸铸吸铸起源于上世纪70年代，因其具有：①合金流动性好，有利于薄壁复杂件成型；②材料利用率高，节约生产成本；③无外来氧化物或气体进入铸件，铸件干净无污染；④充型温度较低，冷却速度快，铸件晶粒细小，机械性能好等优点，而被广泛应用于铝、镁合金，钢铁等的精密铸造，及一些低熔点合金的非晶制备方面。近年来，随着金属基纤维复合材料的大力发展，吸铸法也在一些低熔点的金属基复合材料中开始应用，如：碳纤维增强铝基复合材料。钛合金因其活性高，易与传统的吸铸法中的石墨喷嘴反应，且熔体粘度大，流动的性比较差；SiC纤维较脆，不能像碳纤维一样编织成预制体放入模具中，在模具中固定较困难，纤维在基体中均匀化分布变的更加困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合于TiAl合金高活性、高熔点材料的SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，且采用该方法制备出的TiAl复合材料，铸造缺陷较少，纤维分布较均匀。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，先将SiC纤维制成先驱体，先驱体按体积分数和尺寸要求在模具中固定，与液态基体合金一起制备成复合材料，具体步骤如下：

(1)非自耗真空电弧熔炼母合金，按照设计的TiAl合金进行成分配比，将配置的原料放在电弧炉中的水冷铜坩埚里，抽真空至9.9×10^-4Pa以下，向熔炼室内充入惰性气体Ar，在惰性气体Ar保护下，打开循环水开始熔炼，加电磁搅拌反复熔炼4～6遍，以保证合金锭成分均匀；

(2)SiC先驱体制备，采用磁控溅射的方法在每根SiC纤维表面镀一层合金，再通过热压的方式将表面镀有合金的纤维压成所需尺寸规格的先驱体；

(3)先驱体定位，将制备好的先驱体精加工成所需要的尺寸和形状，在模具上下两端的镶块上加工匹配的定位孔，将先驱体穿过两端镶块及定位孔安置在模具中；

(4)吸铸，将上述模具放入吸铸设备中，调整模具位置，以保证合金液沿着模具浇口的内壁流入模具中；将母合金放入真空吸铸设备熔炼坩埚中，抽真空至5×10^-1Pa以下，开始吸铸，同时打开吸铸阀形成压差，瞬时将合金液注入到模具中，此过程压差为0.03MPa～0.06MPa；

(5)热等静压，将上述吸铸的合金棒进行热等静压，以消除吸铸过程产生的疏松及气孔，热等静压制度为：温度900℃～1150℃，压强100MPa～200MPa，时间2h～4h。

所述的SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，通过调节SiC纤维表面所溅射合金厚度，控制复合材料中SiC纤维的体积分数，使SiC纤维的体积分数为5～70％。

所述的SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，根据增强效果，设计先驱体定位位置，达到复合材料部分增强或者整体增强的目的。

所述的SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，步骤(1)中，熔炼室内惰性气体Ar的压强为0.03MPa～0.07MPa。

所述的SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，步骤(2)中，每根SiC纤维表面镀一层厚度为10～50μm的合金，该合金为钛合金或者钛铝金属间化合物。

本发明的设计思想是：

本发明采用改进的吸铸方法来制备TiAl合金及其复合材料，将纤维制备成先驱体放入模具中解决纤维固定及在基体中均匀分布的问题，同时避免液态合金液直接与纤维接触反应严重的问题，用该法制备的复合材料先驱体与基体结合较紧密，且基体合金缺陷较少，纤维在复合材料中分布较均匀，对其力学性能更有益。

本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明方法制备的SiC纤维增强TiAl基复合材料，纤维在制备过程中容易被固定，且制备后纤维在复合材料中分布较均匀。

(2)整个制备过程在惰性气体保护下完成，材料干净无污染。

(3)本发明方法将纤维首先制备成先驱体，避免液态合金直接与纤维接触而导致反应严重的问题。

(4)本发明方法纤维体积分数较容易控制，可根据溅射的合金厚度来调节。

(5)本发明方法先驱体可以后续加工成各种形状及尺寸，在一些复杂类零部件)(如：叶片等)的复合材料制备中也可适用。

附图说明

图1为本发明所设计的模具纵剖面示意图；图中，1上镶块安装位置；2下镶块安装位置；3浇铸口；4内浇道。

图2为本发明制备好的复合材料棒图。

图3为本发明复合材料横截面微观形貌图。

图4为本发明复合材料中先驱体与基体反应层形貌图。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明通过：(1)非自耗真空电弧熔炼母合金、(2)先驱体制备、(3)先驱体定位、(4)真空吸铸、(5)热等静压，制备出SiC先驱体增强TiAl基复合材料。采用该制备工艺所制备的复合材料基体合金缺陷少，先驱体与基体合金结合紧密，纤维在复合材料中分布较均匀，复合材料干净无污染的优点。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

实施例

本实施例中，所选用基体合金成分为Ti48Al2Cr2Nb，SiC纤维表面所镀合金为Ti17，厚度为25μm左右，所制备复合材料为一直径为10mm、长为70mm的圆棒，在圆棒中心加入一长2.5mm、宽2.5mm、高70mm的SiC先驱体，SiC先驱体的体积分数为12.5％。

(1)非自耗真空电弧熔炼母合金。按照合金成分原子百分比计算所需要的合金元素质量分数，将配置好的原料放在电弧炉中的水冷铜坩埚里。抽真空至9.9×10^-4Pa以下(本实施例为10^-4Pa)，向熔炼室内冲入少量惰性气体Ar，使熔炼室内气体压强为0.06MPa，在惰性气体Ar保护下，打开循环水开始熔炼。加电磁搅拌反复熔炼6遍，以保证合金锭成分均匀。

(2)SiC先驱体制备。采用磁控溅射的方法在SiC纤维表面镀一层Ti17合金，厚度约25μm左右，将表面镀有合金的纤维放入一个包套中，将包套放入热压炉中压成一个先驱体。

(3)模具设计。根据所制备复合材料形状尺寸，设计模具，如图1所示，并在模具上下两端分别设有上镶块安装位置1和下镶块安装位置2，上镶块安装位置1处设置一个上镶块，下镶块安装位置2处设置一个下镶块，每个镶块上设计先驱体定位孔，上镶块与下镶块之间上下依次设置浇铸口3、内浇道4。

(4)先驱体定位。将制备好的先驱体加工成横截面为2.5mm×2.5mm、长100mm的方棒，在模具两端镶块上加工出边长2.5mm的方孔，将镶块放入上下两端固定，将先驱体穿过镶块定位孔在模具中进行精准定位。

(5)吸铸。将模具放入吸铸设备中，调整好模具位置，使得合金液沿着模具浇道一边流入，避免合金液流入到固定薄片一端。将母合金用酒精清洗干净放入吸铸设备中。打开吸铸阀使得吸铸室与熔炼室相通，同时打开机械泵，将吸铸室与熔炼室抽真空至5×10^-1Pa以下(本实施例为10^-1Pa)，关闭吸铸阀，关闭机械泵，向熔炼室中充入惰性气体Ar，调整熔炼室与吸铸室之间压差0.03～0.06MPa(本实施例为0.04Pa)。打开循环水开始吸铸，首先用小电流200～350A(本实施例为300A)将母合金融化形成液封，液封之后加大电流至450～550A(本实施例为500A)，同时打开吸铸阀形成压差，瞬时将合金液注入到模具中。

(6)热等静压。为了消除铸造缺陷将吸铸好的合金棒进行热等静压，热等静压参数为：温度1030℃，压强150MPa，时间4h。

如图1所示，实施方案中所设计的模具纵剖面示意图。其结构如下：模具为金属模，浇铸口3上端的上镶块安装位置1安装上面的镶块，内浇道4长75mm，内浇道4底部的下镶块安装位置2安装下面的镶块。

如图2所示，制备好的复合材料棒，先驱体在复合材料棒中心。

如图3所示，复合材料棒横截面微观形貌图，纤维分布较均匀，复合材料内部较致密，无较大的宏观缺陷及裂纹。

如图4所示，合金棒中先驱体与基体反应过度层形貌(虚线区域内)，过渡层明显且均匀致密，纤维完整，碳层有所保留。

实施例结果表明，本发明制备的复合材料先驱体与基体结合较紧密，且复合材料内部缺陷较少，纤维在复合材料中分布较均匀，解决传统制备方法中复合材料易污染，纤维固定困难及在基体中分布不均匀的问题，同时避免液态合金液直接与纤维接触反应严重的问题。

Claims (4)

1.一种SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，其特征在于，先将SiC纤维制成先驱体，先驱体按体积分数和尺寸要求在模具中固定，与液态基体合金一起制备成复合材料，具体步骤如下：

（1）非自耗真空电弧熔炼母合金，按照设计的TiAl合金进行成分配比，将配置的原料放在电弧炉中的水冷铜坩埚里，抽真空至9.9×10^-4Pa以下，向熔炼室内充入惰性气体Ar，在惰性气体Ar保护下，打开循环水开始熔炼，加电磁搅拌反复熔炼4～6遍，以保证合金锭成分均匀；

（2）SiC先驱体制备，采用磁控溅射的方法在每根SiC纤维表面镀一层合金，再通过热压的方式将表面镀有合金的纤维压成所需尺寸规格的先驱体；每根SiC纤维表面镀一层厚度为10～50μm的合金，该合金为钛合金或者钛铝金属间化合物；

（3）先驱体定位，将制备好的先驱体精加工成所需要的尺寸和形状，在模具上下两端的镶块上加工匹配的定位孔，将先驱体穿过两端镶块及定位孔安置在模具中；

（4）吸铸，将上述模具放入吸铸设备中，调整模具位置，以保证合金液沿着模具浇口的内壁流入模具中；将母合金放入真空吸铸设备熔炼坩埚中，抽真空至5×10^-1Pa以下，开始吸铸，同时打开吸铸阀形成压差，瞬时将合金液注入到模具中，此过程压差为0.03MPa～0.06MPa；

（5）热等静压，将上述吸铸的合金棒进行热等静压，以消除吸铸过程产生的疏松及气孔，热等静压制度为：温度900℃～1150℃，压强100MPa～200MPa，时间2h～4h。

2.根据权利要求1所述的SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，其特征在于，通过调节SiC纤维表面所溅射合金厚度，控制复合材料中SiC纤维的体积分数，使SiC纤维的体积分数为5～70%。

3.根据权利要求1所述的SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，其特征在于，根据增强效果，设计先驱体定位位置，达到复合材料部分增强或者整体增强的目的。

4.根据权利要求1所述的SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，其特征在于，步骤（1）中，熔炼室内惰性气体Ar的压强为0.03MPa～0.07MPa。

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