專利名稱：NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新的復(fù)合材料制備工藝，尤其涉及，主要應(yīng)用于NiAl基復(fù)合材料 的加工制備。
背景技術(shù)：
長程有序金屬間化合物NiAl是13相電子化合物，熔點為1638t:，密度為8. 902g/ cm3，楊氏模量為294Gpa，在20 IIO(TC內(nèi)熱導(dǎo)率為70 80W/m *K，是鎳基高溫合金的4 8倍。NiAl合金具有較好的高溫抗氧化性及耐腐蝕性等優(yōu)點。NiAl合金作為高溫結(jié)構(gòu)材 料，有望取代現(xiàn)有的鎳基及鐵基高溫合金，應(yīng)用于更高的溫度和更惡劣的環(huán)境中。
NiAl基合金的鑄件和鍛件主要應(yīng)用于航空航天發(fā)動機的葉片等部件；而TiAl基 合金板材除了有望在航天和軍事領(lǐng)域大量地直接用作結(jié)構(gòu)材料外，還可以用作超塑性成型 的預(yù)成形材料，制備航空和航天發(fā)動機的零部件以及超高速飛行器的翼和殼體等。NiAl基 合金板材的制備是NiAl基合金實用化研究中最為重要的課題之一。然而，由于NiAl基合 金具有本質(zhì)脆性，制備NiAl基合金板材的難度很大。另外，NiAl基合金較低的室溫強度、 塑性和韌性，也限制了它的實際應(yīng)用。 近幾十年來，NiAl基合金一直是世界各國非常關(guān)注并投入大量人力和物力進行 開發(fā)研究的熱點高溫結(jié)構(gòu)材料。在基礎(chǔ)研究方面，工作重點集中的兩個方面第一，通過提 出新的加工工藝(特殊軋制技術(shù)、粉末冶金活化加工技術(shù)、鑄軋技術(shù)和等離子噴涂等)，提 高NiAl基合金板材的成形性能；第二，通過加入合金元素或引入陶瓷增強相，進一步提高 NiAl基合金的室溫和高溫強度和模量，提高合金的使用溫度，同時改善材料的塑性。
近幾十年發(fā)展起來的利用純鎳和純鋁箔多層軋制復(fù)合和熱處理技術(shù)制備NiAl基 合金板方法，為NiAl基合金板材的制備和應(yīng)用開辟了新的途徑，這方面的研究受到美國， 德國和意大利等為主的研究強國的重視，是NiAl基合金板材研究的重要發(fā)展趨勢之一。
已發(fā)表的文獻表明，采用多層軋制復(fù)合和熱處理技術(shù)制備NiAl基合金多層復(fù)合 板的研究目前存在的主要問題是1、鎳和鋁的塑性變形抗力相差很大，在多層復(fù)合板材軋 制過程中不能保證鎳和鋁的協(xié)調(diào)變形，使得到的NiAl基合金板材的組織均勻性和可控性 不能得到保證；2、由于采用鎳箔和鋁箔為原始材料，不可避免的在所得到的NiAl基合金板 材中存在較大的內(nèi)氧化現(xiàn)象，且組織致密性不能得到保證；3、界面元素擴散和界面化學(xué)反 應(yīng)定量控制問題。 NiAl基復(fù)合材料比NiAl基合金具有更好的比強度、比剛度和耐高溫性能。因此， 在航空、航天和軍事領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛。NiAl基復(fù)合材料的實用化可以大幅度提高飛行器 和武器裝備的輕型化和高性能化進程。NiAl基復(fù)合材料板材以其更加優(yōu)異的輕質(zhì)、高強、耐 熱、成形等性能，在航空、航天和軍事領(lǐng)域耐熱結(jié)構(gòu)和熱防護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有重要應(yīng)用前景， 在高性能航空航天發(fā)動機很多耐熱結(jié)構(gòu)和部件中有重要應(yīng)用價值。 為了進一步提高NiAl基合金的室溫和高溫中和力學(xué)性能，人們又提出了復(fù)合強 韌化法。通過在NiAl基合金中加入非連續(xù)陶瓷相，制備出NiAl基復(fù)合材料，可明顯提高NiAl基合金的綜合力學(xué)性能。但利用目前所采用的復(fù)合材料制備工藝，只能制備出塊體 NiAl基復(fù)合材料，不能實現(xiàn)NiAl基復(fù)合材料板材的制備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料與純鎳板相近的塑性變形抗
力性能特點，解決多層板材軋制變形過程中兩相變形協(xié)調(diào)性問題，由此實現(xiàn)較大的軋制變
形量，從而可以采用厚度較大的板材為原料，來解決復(fù)合板材的內(nèi)氧化和致密性問題；同
時，利用鋁基復(fù)合材料和純鎳良好的塑性成形能力，通過軋制變形得到所需要的板材，再利
用鋁鎳之間的化學(xué)反應(yīng)，通過軋后熱處理，原位合成NiAl合金，得到NiAl基復(fù)合材料板材，
解決NiAl基復(fù)合材料板材的制備問題。 本發(fā)明的目的是通過如下步驟來實現(xiàn) —種NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形技術(shù)，其特征在于包括如下步驟 (1)由陶瓷顆粒和鋁基體制備出陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料； (2)鎳鋁復(fù)合板材的制備，是將鎳與步驟(1)所得的陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料
一起進行軋制變形； (3)將步驟(2)得到的鎳鋁復(fù)合板材進行熱處理。 所述陶瓷顆粒包括二硼化鈦或碳化鈦顆粒，優(yōu)選二硼化鈦顆粒；所述鋁基體包括 純鋁粉或鋁合金粉，優(yōu)選純鋁粉。 其中，二硼化鈦顆粒的平均粒徑為3-9 m，優(yōu)選6 m，純鋁粉的平均粒徑為 24_34線優(yōu)選29iim。 所述陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料是采用粉末冶金法制備的，包括如下步驟
a、球磨混粉將80-95體積份的鋁基體粉和5_20體積份的陶瓷顆粒加到混粉機 中，通過球磨混粉得到混合均勻的原料粉體； b、熱壓燒結(jié)將混合均勻的原料粉體裝入石墨模具內(nèi)，冷壓成型，然后將其放入真 空熱壓爐中，抽真空至真空度為0. 01-0. 03，接著加熱至550-62(TC，保持壓力為20-30MPa， 保壓時間為60-120min，然后爐冷卻至室溫，退模，得到陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料毛 坯； c、軋制變形在200 50(TC條件下，將所得陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料毛坯軋
制成薄板，然后進行退火處理，得到l-2mm厚度的陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料板。 步驟(2)所述的鎳鋁復(fù)合板材的制備工藝具體為在200 50(TC條件下，將所述
陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料板與具有相同厚度的純鎳板，交替疊層，所述層根據(jù)所需厚
度自由選擇；在200 50(TC條件下，通過熱壓得到具有一定結(jié)合強度的熱壓多層復(fù)合板
材；在200 50(TC條件下，對得到的熱壓多層復(fù)合板材進行熱軋?zhí)幚?，得到厚度? 5mm
的鎳鋁復(fù)合板，其中所述的純鎳板的純度大于99%。 步驟(3)所述的熱處理包括如下步驟將所述鎳鋁復(fù)合板材置于真空度為 0. 01-0. 03環(huán)境下，同時施加5 25MPa的壓力，在500 70(TC條件下進行熱處理。
通過本發(fā)明的技術(shù)制備的NiAl基復(fù)合材料板材，組織均勻致密并具有一定的結(jié) 合強度，可更廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域。


圖1為用本發(fā)明的NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形技術(shù)制備的NiAl基復(fù)合材料板 材經(jīng)熱處理，退火2小時后的形貌照片。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明，應(yīng)該理解的是，這些實施例僅用于例證 的目的，決不限制本發(fā)明的保護范圍。
實施例1 陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料的制備具體實施案例選用的陶瓷顆粒為TiB2顆粒， 粒度為6 ii m ;鋁基體為純Al粉，純度大于99 % ，粒度為29 ii m ;鎳為純鎳板，厚度為lmm，純 度大于99%。 1、陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料的制備 (1)球磨混粉將體積份為95的純鋁和體積份為5的TiB2顆粒放入混粉機，通過 球磨混粉將其混合均勻，得到混合均勻的原料粉體。 (2)熱壓燒結(jié)將混合均勻的原料粉體裝入石墨模具內(nèi)，冷壓成型，再放入真空熱 壓爐中，抽真空至真空度為0.01Pa，然后加熱至60(TC，25MPa壓力，保壓時間120min。然后 爐冷卻至室溫，退模，得的鋁基復(fù)合材料毛坯。 (3)軋制變形在20(TC條件下，將鋁基復(fù)合材料毛坯軋制成lmm厚的薄板，然后進 行退火處理，得到鋁基復(fù)合材料板。 2、鎳鋁復(fù)合板材的制備在50(TC條件下，將鋁基復(fù)合材料板與具有相同厚度的 純鎳板交替疊層，總層數(shù)為8層，在50(TC條件下，通過熱壓得到熱壓多層復(fù)合板材；在 20(TC條件下，對得到的熱壓多層復(fù)合板材進行熱軋?zhí)幚恚玫胶穸葹閘mm的鎳鋁復(fù)合板 材。 3、熱處理將鎳鋁復(fù)合板材置于真空度為0. OlPa的環(huán)境下，同時施加5MPa的壓 力，在50(TC條件下進行熱處理，使鋁和鎳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，原位合成NiAl合金，從而得到組 織均勻致密的二硼化鈦顆粒增強的NiAl基復(fù)合材料板材。
實施例2 陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備具體實施案例選用的陶瓷顆粒為碳化鈦顆粒， 粒度為3 ii m，鋁基體為純鋁粉，純度大于99% ，粒度為24 y m，鎳為純鎳板，厚度為2mm，純度 大于99%。 1、陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備 (1)球磨混粉將體積份為20的碳化鈦和體積份為80的鋁顆粒放入混粉機，通過 球磨混粉將其混合均勻，得到混合均勻的原料粉體。
(2)真空熱壓燒結(jié)將混合均勻的原料粉體裝入石墨模具內(nèi)，冷壓成型再放入 真空熱壓爐中進行熱壓燒結(jié)，具體為首先抽真空至真空度為O. 03Pa，然后加熱至55(TC， 20MPa壓力，保壓時間60min。隨后爐冷卻至室溫，退模，即獲得鋁基復(fù)合材料毛坯。
(3)軋制變形在50(TC條件下，將鋁基復(fù)合材料毛坯軋制成2mm厚的薄板，然后進 行退火處理。 2、鎳鋁復(fù)合板材的制備在20(TC條件下，將鋁基復(fù)合材料板與具有相同厚度的純鎳板交替疊層，總層數(shù)為8層，在20(TC條件下，通過熱壓得到熱壓多層復(fù)合板材；在 50(TC條件下，對得到的熱壓多層復(fù)合板材進行熱軋?zhí)幚?，得到厚度?mm的鎳鋁復(fù)合板 材。 3、將鎳鋁復(fù)合板材置于真空度為0. 03Pa的環(huán)境下，同時施加25MPa的壓力，在 65(TC條件下進行熱處理，使鋁和鎳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，原位合成NiAl合金，從而得到組織均勻 致密的二硼化鈦顆粒增強的NiAl基復(fù)合材料板材。
實施例3 陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料的制備具體實施案例選用的陶瓷顆粒為TiB2顆粒， 粒度為9 ii m，鋁基體為純鋁粉，純度大于99 % ，粒度為34 y m，鎳為純鎳板，鎳板厚度為lmm， 純度大于99%。 1、陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料的制備 (1)球磨混粉將體積份為90的純鋁粉和體積份為10的TiB2顆粒放入混粉機，通 過球磨混粉將其混合均勻，得到混合均勻的原料粉體。 (2)熱壓燒結(jié)將混合均勻的原料粉體裝入石墨模具內(nèi)，冷壓成型，再放入真空熱 壓爐中，抽真空至真空度為0. 02Pa，然后加熱至620°C ， 30MPa壓力，保壓時間90min。然后 隨爐冷卻至室溫，退模，得的鋁基復(fù)合材料毛坯。 (3)軋制變形在35(TC條件下，將鋁基復(fù)合材料毛坯軋制成lmm厚的薄板，然后進 行退火處理，得到鋁基復(fù)合材料板。 2、鎳鋁復(fù)合板材的制備在30(TC條件下，將鋁基復(fù)合材料板與具有相同厚度的 純鎳板交替疊層，總層數(shù)為8層，在35(TC條件下，通過熱壓得到熱壓多層復(fù)合板材；在 30(TC條件下，對得到的熱壓多層復(fù)合板材進行熱軋?zhí)幚恚玫胶穸葹?mm的鎳鋁復(fù)合板 材。 3、熱處理將鎳鋁復(fù)合板材置于真空度為0. 02Pa的環(huán)境下，同時施加20MPa的壓 力，在60(TC條件下進行熱處理，使鋁和鎳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，原位合成NiAl合金，從而得到組 織均勻致密的二硼化鈦顆粒增強NiAl基復(fù)合材料板材。 圖1是實施例1制備的鎳鋁多層板經(jīng)熱處理后，退火2小時后的形貌照片。其中， 白色區(qū)域為純鎳板，黑色區(qū)域為二硼化鈦顆粒增強鋁基復(fù)合材料?？梢钥闯觯嚭弯X基復(fù)合 材料的界面較為平直，結(jié)合較好，并且出現(xiàn)了 10um左右的反應(yīng)層。經(jīng)過計算，40小時的退火 就可以制成顆粒增強鎳鋁基復(fù)合材料。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，對本發(fā)明而言僅僅是說明性的，而非限制性 的。本專業(yè)技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進行許多改變， 修改，甚至等效，但都將落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形技術(shù)，其特征在于包括如下步驟(1)由陶瓷顆粒和鋁基體制備陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料；(2)鎳鋁復(fù)合板材的制備，是將鎳與步驟(1)所得的陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料進行軋制變形；(3)將步驟(2)得到的鎳鋁復(fù)合板材進行熱處理。
2. 按照權(quán)利要求1所述的NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形技術(shù)，其特征在于所述陶瓷 顆粒包括二硼化鈦或碳化鈦顆粒；所述鋁基體包括純鋁粉或鋁合金粉。
3. 按照權(quán)利要求2所述的NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形技術(shù)，其特征在于所述陶瓷 顆粒為二硼化鈦顆粒，所述鋁基體為純鋁粉。
4. 按照權(quán)利要求3所述的NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形技術(shù)，其特征在于二硼化鈦 顆粒的平均粒徑為3-9 m，純鋁粉的平均粒徑為24-34 y m。
5. 按照權(quán)利要求4所述的NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形技術(shù)，其特征在于二硼化鈦 顆粒的平均粒徑為6 m，純鋁粉的平均粒徑為29 m。
6. 按照權(quán)利要求1所述的NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形技術(shù)，其特征在于所述陶瓷 顆粒增強的鋁基復(fù)合材料是采用粉末冶金法制備。
7. 按照權(quán)利要求6所述的NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形技術(shù)，其特征在于所述粉末冶 金法包括如下步驟a、 球磨混粉將80-95體積份的鋁基體粉和5-20體積份的陶瓷顆粒加到混粉機中，通 過球磨混粉得到混合均勻的原料粉體；b、 熱壓燒結(jié)將上述混合均勻的原料粉體裝入石墨模具內(nèi)，冷壓成型，然后將其放入真 空熱壓爐中，抽真空至真空度為0. 01-0. 03，接著加熱至550-62(TC，保持壓力為20_30MPa， 保壓時間為60-120min，然后隨爐冷卻至室溫，退模，得到陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料毛 坯；c、 軋制變形在200 50(TC條件下，將所得陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料毛坯軋制成薄 板，然后進行退火處理，得到厚度為l-2mm的陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料板。
8. 按照權(quán)利要求1所述的NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形技術(shù)，其特征在于步驟(2) 所述的鎳鋁復(fù)合板材的制備具體為在200 50(TC條件下，將所述陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合 材料板與具有相同厚度的純鎳板，交替疊層，在200 50(TC條件下，通過熱壓得到熱壓多 層復(fù)合板材；所述層根據(jù)所需厚度自由選擇；在200 50(TC條件下，對得到的熱壓多層復(fù) 合板材進行熱軋?zhí)幚恚玫胶穸葹? 5mm的鎳鋁復(fù)合板材，其中所述的純鎳板的純度大于 99%。
9. 按照權(quán)利要求1所述的NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形技術(shù)，其特征在于步驟(3) 所述的熱處理是將所述鎳鋁復(fù)合板材置于真空度為O. 01-0. 03環(huán)境下，同時施加5 25MPa 的壓力，在500 70(TC條件下進行熱處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新的復(fù)合材料制備工藝，尤其是一種NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形技術(shù)，包括1、陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料板材的制備；2、鎳鋁復(fù)合板材的制備；3、鎳鋁復(fù)合板材的熱處理。本發(fā)明解決了NiAl基復(fù)合材料板材的制備問題，主要應(yīng)用于NiAl基復(fù)合材料板材軋制成形。
文檔編號B21B1/00GK101760674SQ20101011184
公開日2010年6月30日 申請日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者張 杰, 張煜梓, 王慶偉, 王桂松, 耿林, 范國華, 鄭鎮(zhèn)洙 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)