CN113667862B

CN113667862B - 一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料及其制备方法

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Publication number: CN113667862B
Application number: CN202110897631.8A
Authority: CN
Inventors: 李衍蓓; 李衍雷
Original assignee: Guizhou Guicai Innovation Technology Co ltd
Current assignee: Guizhou Guicai Innovation Technology Co ltd
Priority date: 2021-08-05
Filing date: 2021-08-05
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2041-08-05
Also published as: CN113667862A

Abstract

本发明公开了一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料，按质量比计，包括以下原料；钛粉、铝粉的质量比为1：1；其制备方法如下：称取钛粉、铝粉，得混合物料a，混合物料a与造孔剂混合，加入粘结剂，均匀混合，得混合物料b，将混合物料b置入模具中压实成坯，脱模，得生坯，将生坯放入真空干燥箱中去孔干燥，得多孔的生坯块，生坯块在真空条件下，进行烧结，得多尺度结构TiAl多孔材料；按配比的合金成分，称取合金材料，加入熔炉中，待炉料全部熔化后，扒渣精炼，得精炼金属熔液；烧结后的TiAl多孔材料放入铸造模具中，进行压力侵渗，浇注后材料进行固溶+时效处理。本发明强度和耐热性好，且耐磨性好，热膨胀系数低，价格低。

Description

一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料及其制备方法

本发属于复合材料技术领域，具体涉及一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料，同时还涉及制备方法。

背景技术

铝基复合材料由于其重量轻、力学性能和摩擦学性能优良等优点成为金属基复合材料中需求很大的工程材料之一，已广泛应用于汽车和航天工业等领域。而现有技术中的金属基复合材料强度和耐热性差，且耐磨性不好，热膨胀系数高，价格高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强度和耐热性好，且耐磨性好，热膨胀系数低，价格低的TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料及其制备方法。

本发明的一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料，按质量比计，包括以下原料；钛粉、铝粉的质量比为1：1。

一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：

A称取钛粉、铝粉和硬质氧化锆合金球，硬质氧化锆合金球为直径1～8mm的硬质氧化锆合金球，硬质氧化锆合金球的质量与钛粉、铝粉的质量比为4：1：1：，混合均匀后将氧化锆合金球取出，得混合物料a；

B将混合物料a与造孔剂混合，加入粘结剂，均匀混合，得混合物料b；

C将混合物料b置入模具中压实成坯，压力200～2250MPa，保压时间为1～2min，脱模，得生坯；

D将步骤C中所得生坯放入真空干燥箱中去孔干燥，先以8～10℃/min速度，升温至70℃，保温1～2h，随后以5～7℃/min的速度，升温至150℃，保温1～2h，然后冷却至室温,得多孔的生坯块；

E将步骤D中所得多孔生坯块在真空条件下，真空条件的真空度为1×10 -3 Pa～1×10 -2 Pa，进行烧结，先以4～6℃/min的速度，升温至600～650℃，保温1～2h，随后以4～6℃/min的速度，升温至1100～1300℃，保温1～2h，随后冷却至室温,得多尺度结构TiAl多孔预制体材料；

F按配比的合金成分，称取合金材料，加入熔炉中，待炉料全部熔化后，扒渣精炼，得精炼金属熔液；

G将步骤E中所得烧结后的TiAl多孔材料放入铸造模具中，使用步骤F中所得金属熔液，进行压力侵渗;

H对浇注后材料进行固溶+时效处理。

步骤A中，所述Ti粉的粒径为10～30μm，形状为不规则多边形；所述铝粉的粒径为20～30μm，形状为不规则球形。

步骤B中，所述混合物料a与造孔剂的体积比为2～5：8～5；所述造孔剂为碳酸氢铵、尿素、NaCl或NaF中的至少一种；所述造孔剂为碳酸氢铵，碳酸氢铵的形状为球形，碳酸氢铵的粒径为0.4～1mm。

步骤B中，所述粘结剂的加入量为混合物料b质量的1～2%；所述粘结剂为硅溶胶。

步骤F中，按配比的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝镁中间合金、铝硅中间合金、铝镍中间合金和纯铝，2/3以上的炉料熔化，待炉料全部熔化后，将炉温降至720～730℃保温15～20min；其中，设定的合金为一种含铝硅合金，其化学成分按照重量百分比为：Cu：3.0～4.0％，Mn：0.4~1.2%，Mg：0.1~1.0%，Si：7～8%，Ni：0.1～1.0%，余量为Al和不可避免的杂质；待炉温稳定后，扒去熔渣，加入氩气精炼后，在725～730℃下保温10～15min后撇渣，得到精炼金属熔液。

步骤G中，将步骤E中所得烧结后的TiAl多孔材料放入铸造模具中，将铸造模具预热至210～260℃，将精炼金属熔液浇注至模具中，加压使金属熔液侵渗进烧结后的TiAl材料内。

步骤H中，将浇注后材料在525～535℃保温7～8h，然后在70～100℃的水中淬,在150～160℃下保温11～12h，得到含一种多尺度TiAl基铝合金材料。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

（1）本发明中采用造孔剂法制备高孔隙率的TiAl多孔预制体，并采用压力浸渗方法将熔融状态的铝合金渗入预制体中，获得了拥有良好界面结合的铝基复合材料；

（2）在Al-Si合金成分的基础上，添加Mn、Mg、Cu、Ni合金元素，这样能够有效提高合金的耐热稳定性。由于Mn、Mg、Cu、Ni多种合金元素的加入使合金中析出了稳定性好的第二相。这些第二相大多数为硬度较高的金属间化合物，由于它们在合金中可以起到阻碍晶界滑移及位错运动的作用，提高晶界强度和抗蠕变能力，合金的强度和耐热性得到了提高；

（3）本发明合金经热处理后具有良好的压缩强度和韧性：随预制体孔隙率从50%增加至80%，其压缩强度从565MPa增加至625MPa，弯曲强度从258.27MPa增加至了502.22MPa。

附图说明

图1是为实施例4显微组织图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

本发明实施例中采用的铝硅中间合金、铝锰中间合金、铝铜中间合金，铝镁中间合金和纯铝为工业产品，采用纯度为99.9%的氩气进行精炼。

实施例1：

一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料，采用铝铜合金作为复合材料基体，总质量为4kg，包括以下成分及其质量百分比含量：Si：6.0 %，Cu：4 %，Mn：0.6 %，Mn：0.5 %，Ni：0.5%，余量为Al和不可避免的杂质，该耐热铝铜合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）预制体制备：按钛粉和铝粉的质量比1:1混合，获得混合物料a；将混合物料a和造孔剂按体积比5:5进行混合，所述造孔剂为碳酸氢铵，碳酸氢铵的形状为球形，碳酸氢铵的粒径为0.4～1mm，获得混合物料b。将混合物料b压制成实坯，进行去孔烧结操作。获得孔隙率为50%的TiAl预制体。

（2）熔炼：按配比的合金成分，加入铝硅中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金、铝铜中间合金和纯铝，2/3以上的炉料熔化，待炉料全部熔化后，将炉温降至720℃保温17min；待炉温稳定后，扒去熔渣，加入氩气精炼后，在727℃下保温13min后撇渣，得到精炼金属熔液；

（3）浇铸：将多孔预制体放于铸造模具中，将铸造模具预热至235℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；

（4）热处理：对铸坯进行固溶+时效处理，在530℃保温12h，然后在85℃的水中淬在215℃下保温16h，得到含一种TiAl增强铝硅复合材料。

将本实施例制备的TiAl增强铝基复合材料，进行压缩、弯曲测试，其压缩强度为565MPa，弯曲强度为258.27Mpa。

实施例2：一种TiAl增强铝硅复合材料，采用铝铜合金作为复合材料基体，总质量为4kg，包括以下成分及其质量百分比含量：Si：6.0 %，Cu：4 %，Mn：0.6 %，Mn：0.5 %，Ni：0.5%，余量为Al和不可避免的杂质，该耐热铝铜合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）预制体制备：按钛粉和铝粉的质量比1:1混合，获得混合物料a；将混合物料a和造孔剂按体积比4:6进行混合，所述造孔剂为碳酸氢铵，碳酸氢铵的形状为球形，碳酸氢铵的粒径为0.4～1mm，获得混合物料b。将混合物料b压制成实坯，进行去孔烧结操作。获得孔隙率为50%的TiAl预制体。

将本实施例制备的TiAl增强铝基复合材料，进行压缩、弯曲测试，其压缩强度为585MPa，弯曲强度为314.13Mpa。

实施例3：一种TiAl增强铝硅复合材料，采用铝铜合金作为复合材料基体，总质量为4kg，包括以下成分及其质量百分比含量：Si：6.0 %，Cu：4 %，Mn：0.6 %，Mn：0.5 %，Ni：0.5%，余量为Al和不可避免的杂质，该耐热铝铜合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）预制体制备：按钛粉和铝粉的质量比1:1混合，获得混合物料a；将混合物料a和造孔剂按体积比3:7进行混合，所述造孔剂为碳酸氢铵，碳酸氢铵的形状为球形，碳酸氢铵的粒径为0.4～1mm，获得混合物料b。将混合物料b压制成实坯，进行去孔烧结操作。获得孔隙率为50%的TiAl预制体。

将本实施例制备的TiAl增强铝基复合材料，进行压缩、弯曲测试，其压缩强度为605MPa，弯曲强度为424.92Mpa。

实施例4：一种TiAl增强铝硅复合材料，采用铝铜合金作为复合材料基体，总质量为4kg，包括以下成分及其质量百分比含量：Si：6.0 %，Cu：4 %，Mn：0.6 %，Mn：0.5 %，Ni：0.5%，余量为Al和不可避免的杂质，该耐热铝铜合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）预制体制备：按钛粉和铝粉的质量比1:1混合，获得混合物料a；将混合物料a和造孔剂按体积比2:8进行混合，所述造孔剂为碳酸氢铵，碳酸氢铵的形状为球形，碳酸氢铵的粒径为0.4～1mm，获得混合物料b。将混合物料b压制成实坯，进行去孔烧结操作。获得孔隙率为50%的TiAl预制体。

将本实施例制备的TiAl增强铝基复合材料，进行压缩、弯曲，其压缩强度为625MPa，弯曲强度为502.22Mpa。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：

A称取钛粉、铝粉和硬质氧化锆合金球，硬质氧化锆合金球为直径1～8mm的硬质氧化锆合金球，硬质氧化锆合金球的质量与钛粉、铝粉的质量比为4：1：1，混合均匀后将氧化锆合金球取出，得混合物料a；

E将步骤D中所得多孔生坯块在真空条件下，真空条件的真空度为1×10^-3 Pa～1×10^-2Pa，进行烧结，先以4～6℃/min的速度，升温至600～650℃，保温1～2h，随后以4～6℃/min的速度，升温至1100～1300℃，保温1～2h，随后冷却至室温,得多尺度结构TiAl多孔预制体材料；

G将步骤E中所得烧结后的TiAl多孔材料放入铸造模具中，使用步骤F中所得金属熔液，进行压力浸渗;

H对浇注后材料进行固溶+时效处理。

2.根据权利要求1所述的一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料的制备方法，其特征在于：步骤A中，所述Ti粉的粒径为10～30μm，形状为不规则多边形；所述铝粉的粒径为20～30μm，形状为不规则球形。

3.根据权利要求1所述的一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料的制备方法，其特征在于：步骤B中，所述混合物料a与造孔剂的体积比为2～5：8～5；所述造孔剂为碳酸氢铵、尿素、NaCl或NaF中的至少一种；

所述碳酸氢铵的形状为球形，碳酸氢铵的粒径为0.4～1mm。

4.根据权利要求1所述的一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料的制备方法，其特征在于：步骤B中，所述粘结剂的加入量为混合物料b质量的1～2%；所述粘结剂为硅溶胶。

5.根据权利要求1中所述的一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料的制备方法，其特征在于：步骤F中，按配比的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝镁中间合金、铝硅中间合金、铝镍中间合金和纯铝，待炉料全部熔化后，将炉温降至720～730℃保温15～20min；其中，设定的合金为一种含铝硅合金，其化学成分按照重量百分比为：Cu：3.0～4.0％，Mn：0.4~1.2%，Mg：0.1~1.0%，Si：7～8%，Ni：0.1～1.0%，余量为Al和不可避免的杂质；待炉温稳定后，扒去熔渣，加入氩气精炼后，在725～730℃下保温10～15min后撇渣，得到精炼金属熔液。

6.根据权利要求1中所述的一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料的制备方法，其特征在于：步骤G中，将步骤E中所得烧结后的TiAl多孔材料放入铸造模具中，将铸造模具预热至210～260℃，将精炼金属熔液浇注至模具中，加压使金属熔液浸渗进烧结后的TiAl材料内。

7.根据权利要求1中所述的一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料的制备方法，其特征在于：步骤H中，将浇注后材料在525～535℃保温7～8h，然后在70～100℃的水中淬,在150～160℃下保温11～12h，得到含一种TiAl金属间化合物增强铝硅复合材料。