CN111992714B - 一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料及其制备方法；属于激光增材制造技术领域。所述复合材料包括Ti5Si3增强相和TiAl基体；其中Ti5Si3增强相在激光增材制造过程中原位自生形成，且呈连续网状结构分布。其制备方法为：以表面清洁干燥的Ti6Al4V粉末和Al‑Si合金粉末为原料通过适当的参数进行激光增材制造原位反应，得到了强化相呈网状分布的TiAl基复合材料。所得产品在800℃的拉伸强度大于等于600MPa、延伸率大于等于9％。本发明材料结构设计合理，制备工艺简单可控；所得产品性能优良；便于大规模工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料及其制备方法；属于激光增材制造技术领域。
背景技术
TiAl合金具有低密度、高比强度、高弹性模量、良好的抗蠕变以及抗氧化能力等优异特性，是一种极具潜力的轻质高温结构材料，在航空航天和汽车工业等领域具有广泛的应用前景，比如航空发动机涡轮叶片、超高速飞行器的翼、壳体等部件。随着发动机推力和推重比的增大，涡轮入口温度不断提高，要求相应TiAl合金部件的综合力学性能不断提升。已有研究表明：引入陶瓷(颗粒、纤维等)增强相，获得TiAl基复合材料是改善该材料综合力学性能的有效途径之一。但由于TiAl合金室温脆性且热加工性较差等问题，利用传统工艺(铸造、铸锭冶金和粉末冶金等)制造TiAl合金零部件的过程中易开裂，无法整体成形结构复杂且性能优异的零部件，制约其实际工程应用。因此，迫切需求探索结构复杂、性能优异的TiAl基复合材料的制备方法。
近年来，基于材料逐层累加成形的激光增材制造技术受到科研工作者的广泛关注。激光增材制造金属零部件(如钛合金、Ni基高温合金等)可实现“控形”与“控性”一体化，既“控形”——高性能材料制备与复杂结构零件成形一步完成；“控性”——成形零件具有激光快速凝固组织，偏析轻、成分均匀，且晶粒细化、组织均匀，综合力学性能可同锻件相当，这为TiAl合金的成形带来了新的契机。国内外科研工作者利用激光增材制造技术在制备TiAl基复合材料方面也进行了大量探索性研究，通过增强相复合化可显著提高TiAl基复合材料强度、硬度、耐高温、抗磨损等性能，但存在TiAl基复合材料塑性、韧性下降的问题。激光成形TiAl基复合材料的“强”与“韧”，似乎构成了一对难以调和的矛盾。
为了调和激光成形TiAl基复合材料的“强”与“韧”的矛盾，发明人研究发现：目前多采用外加增强颗粒的方式激光成形TiAl基复合材料，增强颗粒与TiAl金属间化合物基体的化学成分、晶体结构、物理性质存在较大差异，特别是两者之间润湿性差、线膨胀系数差异大，导致从激光成形的高温降至室温的收缩程度不同，极易在界面处产生复杂的残余热应力；特别是对于TiAl这种脆性合金，无法通过变形来缓解应力，其拉伸和剪切热残余应力将导致界面结合减弱、甚至形成界面微裂纹，从而降低界面传递载荷、调节应力分布的能力，严重时还将导致微裂纹在基体中扩展。
发明内容
针对现有技术的不足；基于现有的研究发现，本发明提出了一种强度、韧性均佳的强化相呈网状分布的TiAl基复合材料及其制备方法。
发明人前期研究了如何制备强化相(Ti5Si3)呈弥散分布增强Al3Ti基复合梯度材料，但研究发现：Ti5Si3弥散分布时，对产品的强度和韧性还是很难实现同步提升。
本发明一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料，所述复合材料包括Ti5Si3增强相和TiAl基体；其中Ti5Si3增强相在激光增材制造过程中原位自生形成，且呈连续网状结构分布。
本发明一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料，所述复合材料通过激光增材制造原位反应制备。
本发明一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料，其在800℃的拉伸强度大于等于600MPa、延伸率大于等于9％。
经优化后，本发明一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料；其在800℃的拉伸强度为610～650MPa、延伸率为9～9.5％。
本发明一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料的制备方法，包括下述步骤：
步骤一
以Ti6Al4V粉末和Al-Si合金粉末为原料；将粉末置于真空干燥箱中，50-70℃温度下保温3-10h，得到备用的Ti6Al4V粉末粉末和备用的Al-Si合金粉末；
步骤二
对基板进行冲洗后，在无水乙醇中超声清洗至少10min，以除去基体表面残留杂质和油污；干燥后得到备用基板；
步骤三
将Ti6Al4V粉末和Al-Si合金粉末分别装入粉缸A和粉缸B中，开启电源将钛合金基板加热，采用基于喷嘴自动送粉的激光粉末沉积工艺，通过调控激光功率、扫描速度、送粉速率、基板加热温度，制备Ti5Si3增强相呈网状分布的TiAl基复合材料；激光粉末沉积工艺制备Ti5Si3增强相呈网状分布的TiAl基复合材料时，
激光功率为160-180W；
激光扫描速度为400～600mm/s；
Ti6Al4V粉末和Al-Si合金粉末送粉速率为0.2-0.4cm3/min；
基板加热温度为150-180℃。
本发明一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料的制备方法，步骤一的目的在于降低粉末的残余氧含量和湿度。在工业上应用时，可将其装入真空袋中抽真空封存备用。
本发明一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料，用水冲洗后的基板用无水乙醇超声清洗至少10min。
本发明一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料，Ti6Al4V粉末的粒度为45-75微米；Al-Si合金粉末的粒度为25-105微米、优选为45-105微米。
本发明一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料，所述Al-Si合金粉末选自AlSi7合金粉末、AlSi10Mg合金粉末、AlSi12合金粉末中的至少一种。
本发明一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料，激光粉末沉积工艺制备Ti5Si3增强相呈网状分布的TiAl基复合材料时Ti6Al4V粉末和Al-Si合金粉末的送粉速率相同。
本发明一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料，备用基板为Ti基板或Ti合金基板。
原理和优势
本发明采用激光粉末沉积技术原位反应制备TiAl基复合材料，通过调控激光能量密度(主要由激光功率、扫描速度、送粉速率等决定)和基板加热温度，制备出了出无裂纹、Ti5Si3增强相呈网络状结构状态分布在TiAl基复合材料中的产品。本发明所设计和制备的TiAl基复合材料，其在800℃高温拉伸强度、断后伸长率等性能明显优于增强相弥散、准网状分布的TiAl基复合材料。
本发明通过激光粉末沉积工艺原位反应制备的强化相呈网状分布的TiAl基复合材料试件拉伸强度提高的同时，其断后伸长率并未降低。
总之，本发明采用合金粉末为原料，通过激光粉末沉积工艺激光原位合成Ti5Si3增强相，解决了外加增强颗粒与基体界面之间易形成裂纹的问题；通过调控增强相呈均匀网状分布，有效地阻止了裂纹的形核与萌生，实现“微结构韧化”，进而提高激光成形TiAl基复合材料韧性和抗裂纹扩展的能力，解决了TiAl基复合材料“强”与“韧”的矛盾。
附图说明
附图1为实施例1所得产品的SEM图；
附图2为对比例例1所得产品的SEM图；
附图3为对比例例2所得产品的SEM图。
具体实施方式
实施例1
步骤一
以Ti6Al4V粉末(粒度为45-75微米)和Al-Si合金粉末(粒度为45-105微米)为原料；将粉末置于真空干燥箱中，60℃温度下保温4h，得到备用的Ti6Al4V粉末粉末和备用的Al-Si合金粉末。所述Al-Si合金粉末为AlSi10Mg合金粉末。
步骤二
对钛合金基板进行冲洗后，用无水乙醇中超声清洗20min，以除去基体表面残留杂质和油污；干燥后得到备用钛合金基板；
步骤三
将Ti6Al4V粉末和Al-Si合金粉末分别装入粉缸A和粉缸B中，开启电源将备用钛合金基板加热，采用基于喷嘴自动送粉的激光粉末沉积工艺，通过调控激光功率、扫描速度、送粉速率、基板加热温度，制备Ti5Si3增强相呈网状分布的TiAl基复合材料；激光粉末沉积工艺制备Ti5Si3增强相呈网状分布的TiAl基复合材料时，
激光功率为160W；
激光扫描速度为500mm/s；
Ti6Al4V粉末和Al-Si合金粉末送粉速率相同，且均为0.4cm3/min；
基板加热温度为160℃。
所得产品TiAl基复合材料中Ti5Si3增强相呈网状分布，其高温力学性能为：在800℃高温拉伸强度618MPa；延伸率9.31％。
实施例2
其他条件和实施例1一致；不同之处在于：用AlSi7合金粉末替代AlSi10Mg合金粉末；所得产品TiAl基复合材料中Ti5Si3增强相呈网状分布，其高温力学性能为：在800℃高温条件下的拉伸强度为607MPa；延伸率为9.54％。
实施例3
其他条件和实施例1一致；不同之处在于：用AlSi12合金粉末替代AlSi10Mg合金粉末；所得产品TiAl基复合材料中Ti5Si3增强相呈网状分布，其高温力学性能为：在800℃高温条件下的拉伸强度为621MPa；延伸率为9.16％。
实施例4
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
激光功率为170W；
激光扫描速度为450mm/s；
Ti6Al4V粉末和Al-Si合金粉末送粉速率相同，且均为0.3cm3/min；
基板加热温度为170℃。
所得产品TiAl基复合材料中Ti5Si3增强相呈网状分布，其高温力学性能为：在800℃高温拉伸强度642MPa；延伸率9.26％。
实施例5
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
激光功率为180W；
激光扫描速度为600mm/s；
Ti6Al4V粉末和Al-Si合金粉末送粉速率相同，且均为0.3cm3/min；
基板加热温度为180℃。
所得产品TiAl基复合材料中Ti5Si3增强相呈网状分布，其高温力学性能为：在800℃高温拉伸强度614MPa；延伸率9.32％。
实施例6
其他条件和实施1一致，不同之处在于：
激光功率为180W；
激光扫描速度为400mm/s；
Ti6Al4V粉末和Al-Si合金粉末送粉速率相同，且均为0.3cm3/min；
基板加热温度为150℃。
所得产品TiAl基复合材料中Ti5Si3增强相呈网状分布，其高温力学性能为：在800℃高温拉伸强度604MPa；延伸率9.07％。
对比例1
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：激光粉末沉积工艺制备产品时，
激光功率为150W；
激光扫描速度为500mm/s；
Ti6Al4V粉末和Al-Si合金粉末送粉速率相同，且均为0.3cm3/min；
基板加热温度为25℃(不加热、室温)。
所得产品TiAl基复合材料中Ti5Si3增强相呈弥散分布，其高温力学性能为：在800℃高温拉伸强度503MPa；延伸率7.62％
对比例2
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：激光粉末沉积工艺制备产品时，控制：
激光功率为200W；
激光扫描速度为500mm/s；
Ti6Al4V粉末和Al-Si合金粉末送粉速率相同，且均为0.3cm3/min；
基板加热温度为160℃。
所得产品TiAl基复合材料中Ti5Si3增强相呈准连续网状分布，其高温力学性能为：在800℃高温拉伸强度582MPa；延伸率8.72％
对比例3
其他条件和实施例1一致；不同之处在，用Ti5Si3粉末替代AlSi10Mg合金粉末，TiAl粉末替代Ti6Al4V粉末，Ti6Al4V粉末送粉速率为0.7cm3/min，Ti5Si3粉末送粉速率仅为0.1cm3/min；成形后发现所得产品TiAl基复合材料内部存在大量微裂纹。性能大幅下降，在800℃高温条件下的拉伸强度为326MPa；延伸率仅为3.42％。
Claims (1)
1.一种强化相呈网状分布的TiAl基复合材料，其特征在于：所述复合材料包括Ti5Si3增强相和TiAl基体；其中Ti5Si3增强相在激光增材制造过程中原位自生形成，且呈连续网状结构分布；
所述复合材料通过下述步骤制备：
步骤一
以粒度为45-75微米的Ti6Al4V粉末和粒度为45-105微米的Al-Si合金粉末为原料；将粉末置于真空干燥箱中，60℃温度下保温4h，得到备用的Ti6Al4V粉末和备用的Al-Si合金粉末；所述Al-Si合金粉末为AlSi10Mg合金粉末；
步骤二
对钛合金基板进行冲洗后，用无水乙醇中超声清洗20min，以除去基体表面残留杂质和油污；干燥后得到备用钛合金基板；
步骤三
将Ti6Al4V粉末和Al-Si合金粉末分别装入粉缸A和粉缸B中，开启电源将备用钛合金基板加热，采用基于喷嘴自动送粉的激光粉末沉积工艺，通过调控激光功率、扫描速度、送粉速率、基板加热温度，制备Ti5Si3增强相呈网状分布的TiAl基复合材料；激光粉末沉积工艺制备Ti5Si3增强相呈网状分布的TiAl基复合材料时，
激光功率为170W；
激光扫描速度为450mm/s；
Ti6Al4V粉末和Al-Si合金粉末送粉速率相同，且均为0.3cm3/min；
基板加热温度为170℃；
所得产品TiAl基复合材料中Ti5Si3增强相呈网状分布，其高温力学性能为：在800℃高温拉伸强度642MPa；延伸率9.26%。
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| GR01 | Patent grant | ||
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