專利名稱:一種鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及材料科學(xué),特別提供了 一種鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù):
現(xiàn)有技術(shù)中,近幾年在人們對(duì)SiC纖維(CVD)等增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的基體的相關(guān)研究中,TiAl金屬間化合物由于優(yōu)越的高溫性能而受到了廣泛重視。
與Ti合金相比,SiC纖維(CVD)等增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的密度更低,高溫強(qiáng)度更高,并且具有優(yōu)良的抗氧化性。這些特性使它能夠更好的滿足在高溫下工作的需求。Ti合金基復(fù)合材料的工作溫度在600°C以下,而TiAl化合物基的可將其提升到70(TC以上,這將極大的提升飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等的設(shè)計(jì)空間。但TiAl基合金的室溫塑性很低,屬于極難塑性加工材料。通常,在700'C以下溫度范圍內(nèi),它的塑性很差,其伸長(zhǎng)率一般僅有2% 3%,無法進(jìn)行塑性加工。在大于IIO(TC高溫下,雖然它的塑性有所改善,但變形抗力仍然很大,其流動(dòng)應(yīng)力一般高達(dá)200MPa,且要求變形時(shí)保持相當(dāng)?shù)偷膽?yīng)變速率(lxlO力/s),因而對(duì)其進(jìn)行塑性加工成形的難度亦非常大,。因此,在使用真空擴(kuò)散結(jié)合法制備SiC纖維增強(qiáng)TiAl化合物基復(fù)合材料時(shí),需要很高的溫度和壓力,這使纖維與基體的界面反應(yīng)程度增加,產(chǎn)生脆性相,同時(shí)也增加了纖維的損傷,造成復(fù)合材料性能降低。另一方面,TiAl化合
4物與SiC纖維之間熱膨脹系數(shù)相差較大,在復(fù)合材料冷卻過程中,由于基
體塑性變形能力差,不能通過自身的塑性變形或流動(dòng)及時(shí)釋放熱殘余應(yīng)力,
導(dǎo)致在界面附近基體內(nèi)拉應(yīng)力過高,誘發(fā)橫、縱向裂紋產(chǎn)生;具體參見參考文獻(xiàn)1: J.F. Farraro and N. S. Stoloff, Intermetallics,, 1994, 2(2): 95-101;參考文獻(xiàn)2: Sarala Djanarthany, Jean-Claude Viala, Jean Bouix, Mater. Sci. Eng. A,2001, 300: 211-218;參考文獻(xiàn)3: A. Brunet, R. Valle, A.Vassel, Acta mater.,2000,48:4763-4774。
人們希望獲得一種技術(shù)效果更好的金屬間化合物基復(fù)合材料的制備方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種技術(shù)效果更好的鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明提供了一種SiC纖維增強(qiáng)鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法,其特征在于所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法是;首先將單質(zhì)Ti層和/或單質(zhì)Al層交替沉積在增強(qiáng)體材料外部表面上,然后在一定溫度下進(jìn)行真空壓制,擴(kuò)散結(jié)合形成復(fù)合材料。
本發(fā)明所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法,其特征在于所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料所使用的原料中單質(zhì)Ti層和單質(zhì)Al層的質(zhì)量相對(duì)比例關(guān)系為1: 3 3: 1;單質(zhì)Ti層和單質(zhì)Al層的層厚范圍分別是0.5 2拜;
在增強(qiáng)纖維外部的單質(zhì)Ti層和/或單質(zhì)Al層分層依此分別制備,優(yōu)選方案中最內(nèi)層為單質(zhì)Ti層,最外層為單質(zhì)Al層。所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法是將制備鈦鋁化合物基復(fù)合材料所用的原料單質(zhì)Ti層和單質(zhì)Al層沉積到SiC纖維上,然后在500 70(TC溫度條件下采用真空熱壓或熱等靜壓進(jìn)行壓制成型,擴(kuò)散結(jié)合形成復(fù)合材料;壓制時(shí)間是1 3小時(shí),壓力大小為50 150MPa;
然后在繼續(xù)施壓或撤除外施壓力的條件下進(jìn)行高溫均勻化處理,高溫均勻化處理的溫度條件是700 900°C,高溫均勻化處理的時(shí)間范圍是0.5 4小時(shí)。
在所述增強(qiáng)體材料上分層制備單質(zhì)Ti層或/和單質(zhì)A1層所采用的具體制備方法優(yōu)選是物理氣相沉積法。具體要求取決于該元素與SiC纖維表面涂層之間的反應(yīng),以反應(yīng)程度較弱的元素為內(nèi)層,以變形及粘合能力較好的A1為外層。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選內(nèi)容是,依次采用下述方案制備鈦鋁化合物基復(fù)合材料是
復(fù)合材料的制備過程具體分為以下過程增強(qiáng)體外部單質(zhì)Ti層和/或單質(zhì)A1層制備、制作纖維預(yù)制帶、除膠、熱壓成型、高溫均勻化和冷卻;
首先在增強(qiáng)纖維上應(yīng)用物理氣相沉積法分層制備單質(zhì)Ti層和單質(zhì)Al層;制備成Ti、 Al膜多次疊加的SiC復(fù)合絲;具體而言,復(fù)合絲使用對(duì)耙磁控濺射儀制備,首先使用繞線機(jī)組將SiC纖維以一定間距平行纏繞在特制轉(zhuǎn)輪架上,裝入磁控濺射儀真空腔內(nèi),腔內(nèi)兩對(duì)耙分別安裝純Ti和純Al,分時(shí)間段在SiC纖維表面濺射Ti膜和Al膜,其中最內(nèi)層為Ti,最外層為
Al;
濺射完畢后,使用真空擴(kuò)散結(jié)合工藝制備復(fù)合材料首先在繞絲機(jī)組上將制得的多層復(fù)合絲緊密排列在圓柱形滾筒上,用膠黏液固定并干燥,制成纖維預(yù)制帶,將預(yù)制帶裁切成與熱壓模具同等大小,層疊裝入純Ti箔制成的包套中,在真空熱壓爐中除膠并熱壓成型;
所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備采用真空擴(kuò)散結(jié)合工藝具體為真空熱壓或熱等靜壓或準(zhǔn)等靜壓;
除膠和熱壓成型的具體要求是首先在390土50'C保溫1 3小時(shí),除去預(yù)制帶表面的膠粘液;隨后在500 70(TC溫度條件下進(jìn)行熱壓成型,熱壓成型后在保溫以便促使鍍層擴(kuò)散反應(yīng)完全進(jìn)行,成分均勻化,具體參數(shù)要求是640土5(TC/80士30MPa/2土lh;最后控制冷卻速度冷卻到450°C,冷卻速度控制在1.5±0.5'C/min。
本發(fā)明所述的TiAl化合物基復(fù)合材料的制備方法,我們也將其稱之為元素鍍層法,通常的工作方案中,首先將若干層Ti、 Al元素按照一定的比例交替制備到長(zhǎng)纖維表面,制成多層Ti、 Al元素復(fù)合絲,使用基體涂層纖維法在真空爐中進(jìn)行熱壓成型,由于純Ti與純Al比Ti-Al金屬間化合物的塑性要好的多,因此可以采用比Ti一Al化合物低的多的熱壓溫度壓制成形。在壓力的作用下,鍍層產(chǎn)生塑性變形,填充纖維之間的多邊形空隙,并利用最外層純Al良好的塑性與擴(kuò)散能力最終相互粘合??紤]到Al熔化后會(huì)與Ti發(fā)生劇烈反應(yīng)生成脆性化合物,變形抗力增大,因此將熱壓溫度限制在Al熔點(diǎn)以下進(jìn)行熱壓。熱壓成型后在Al熔點(diǎn)以上保溫促使鍍層擴(kuò)散反應(yīng)完全進(jìn)行,成分均勻化。采用這種方法降低了 TiAl基復(fù)合材料的制備溫度,減少了基體中由于熱殘余應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋,并且界面反應(yīng)受到控制,有望提高TiAl基復(fù)合材料的力學(xué)性能。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可以有效的降低Ti-Al化合物基復(fù)合材料的制備溫度,明顯減少了基體在冷卻過程中由于熱脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致的熱應(yīng)力裂紋,并且基體與纖維之間的界面反應(yīng)得到很好的控制。本發(fā)明具有可預(yù)見的很大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明
圖1為Ti-Al元素復(fù)合絲橫截面整體形貌圖2為Ti-Al元素復(fù)合絲橫截面局部形貌;圖3為Ti-Al元素鍍層復(fù)合絲法制備復(fù)合材料最佳工藝示意圖;圖4為640。C/80MPa/2h+800。C/0MPa/2h,冷速1.5°C/min的復(fù)合材料橫截面整體形貌;
圖5為64(TC/80MPa/2h+80(TC/0MPa/2h,冷速1.5°C/min的復(fù)合材料橫
截面局部形貌;
圖6為復(fù)合材料界面形貌及線掃描曲線圖7為熱處理之前Ti-Al元素復(fù)合絲成分XRD衍射峰;
圖8為經(jīng)640°C/80MPa/2h+800°C/0MPa/2h熱處理后Ti-Al元素復(fù)合絲
成分XRD衍射峰。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
使用磁控濺射法在SiC纖維上交替濺射厚度約為l^m的Ti膜和Al膜, 制備成Ti、 Al膜多次疊加的SiC復(fù)合絲,如圖1、 2所示。
復(fù)合材料制備分復(fù)合絲的制備和板材壓制兩部分。復(fù)合絲使用雙對(duì)靶 磁控濺射儀制備,首先使用繞線機(jī)組將SiC纖維以一定間距平行纏繞在特 制轉(zhuǎn)輪架上,再將轉(zhuǎn)輪裝入磁控濺射儀真空腔內(nèi),腔內(nèi)兩對(duì)靶分別安裝純 Ti和純Al,分時(shí)間段在SiC纖維表面濺射Ti膜和Al膜,其中最內(nèi)層為Ti, 最外層為Al,這樣既可以避免Al與C涂層在熱壓時(shí)界面反應(yīng)生成針狀或 片狀A(yù)14C3,又可以利用Al良好的高溫變形與擴(kuò)散能力促進(jìn)復(fù)合絲之間的 結(jié)合。纖維體積百分比及Ti、 Al原子百分比可通過改變?yōu)R射時(shí)間來控制。 本實(shí)施例中Ti、 Al體積比為l: 1。
濺射完畢后,使用基體涂層纖維法(Matrix Coating fiber,簡(jiǎn)稱MCF) 制備復(fù)合材料。首先在繞絲機(jī)組上將制得的多層復(fù)合絲緊密排列在圓柱形 滾筒上,用膠黏液固定并干燥,制成纖維預(yù)制帶,將預(yù)制帶裁切成與熱壓 模具同等大小,層疊裝入純Ti箔制成的包套中,在真空熱壓爐中除膠并熱壓 成型。
復(fù)合材料的制備分除膠、熱壓成型、高溫均勻化和冷卻四個(gè)階段,經(jīng)過 一系列試驗(yàn),將最佳制備參數(shù)確定在390°C/2h+640°C/80MPa/2h+ 80(TC/0MPa/2h,冷卻速度控制在1.5 'C/min,如圖2所示。關(guān)于復(fù)合材料形貌圖4、 5為最佳工藝條件下制得的復(fù)合材料橫截面。 可看出復(fù)合材料整體成型良好,纖維排布基本呈規(guī)則的六角形,基體之間 裂紋很少。從復(fù)合材料的局部放大圖可看出,80(TC熱處理2小時(shí)后,鍍層 之間的界面基本消失,形成了均質(zhì)基體。
從圖6中可看出,雖然復(fù)合材料經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的熱壓與擴(kuò)散,但由于整 體溫度較低,C涂層仍然保持完好,界面清晰光滑,沒有生成明顯的反應(yīng)層 或反應(yīng)物。但從線掃描曲線的趨勢(shì)可以看出,C、 Si元素有向基體中擴(kuò)散的 跡象,而一部分Ti也擴(kuò)散到了C涂層中,A油于受到了Ti層的阻礙而沒有到 達(dá)C涂層內(nèi)部。
將復(fù)合絲裝入充氬的石英管中通過熱處理的方式模擬鍍層中的反應(yīng), 用XRD分析了復(fù)合絲表面鍍層的成分,在處理前的復(fù)合絲表面圖譜中主要 為Ti、 Al的衍射峰及少量TiAl3的峰,復(fù)合絲經(jīng)過390。C/2h+640。C/80MPa/2h +800°(:/0]^3/211,熱處理后,只有TiAl峰,TiAl3峰基本消失,可知在該工藝 條件下基體可以完全反應(yīng)生成均質(zhì)化合物。
本實(shí)施例可以使用磁控濺射法在SiC纖維上交替濺射厚度約為lnm的 Ti膜和Al膜,制備成Ti、 Al膜多次疊加的SiC復(fù)合絲,利用純Ti和純Al 良好的塑性,將復(fù)合絲在A1的熔點(diǎn)以下壓制成板狀樣品,并利用鍍層間距 小,元素?cái)U(kuò)散路程短的特點(diǎn),在較低溫度下保溫較短時(shí)間,使基體均勻化, 最終制備出成分均勻的SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al化合物基復(fù)合材料,
實(shí)施例2:使用磁控濺射法在SiC纖維上交替濺射厚度約為2pm的Ti膜和A1膜,制備成Ti、 Al膜多次疊加的SiC復(fù)合絲,封入包套中抽真空,
使用基體涂層纖維法在熱等靜壓爐中熱壓成型,具體工藝為 600°C/100MPa/2h,取出后80(TC熱處理4小時(shí)。 本實(shí)施例的其他技術(shù)細(xì)節(jié)參照實(shí)施例1內(nèi)容。
實(shí)施例3:使用磁控濺射法在SiC纖維上交替濺射厚度約為l拜的Ti 膜和3,的Al膜,使用基體涂層纖維法使用準(zhǔn)等靜壓熱壓成型,制備TiAl3 具體工藝為600°C/80MPa/2h,+800°C/80MPa/4h。
本實(shí)施例中Ti、 Al體積比為1: 3。本實(shí)施例的其他技術(shù)細(xì)節(jié)參照實(shí)施 例1內(nèi)容。
實(shí)施例4
本實(shí)施例中Ti、 Al體積比為3: 1。本實(shí)施例的其他技術(shù)細(xì)節(jié)參照實(shí)施 例4內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法,其特征在于所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法是;首先將單質(zhì)Ti層和/或單質(zhì)Al層交替沉積在增強(qiáng)體材料外部表面上,然后在一定溫度下進(jìn)行真空壓制,擴(kuò)散結(jié)合形成復(fù)合材料;所述增強(qiáng)體材料為SiC纖維材料。
2、 按照權(quán)利要求2所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法,其特征在 于:所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料所使用的原料中單質(zhì)Ti層和單質(zhì)Al層的質(zhì) 量相對(duì)比例關(guān)系為1: 3 3: 1;單質(zhì)Ti層和單質(zhì)Al層的單層層厚范圍分別是0.5 2Mm;在增強(qiáng)纖維外部的單質(zhì)Ti層和/或單質(zhì)Al層分層依此 分別制備,其中最內(nèi)層為單質(zhì)Ti層,最外層為單質(zhì)Al層。
3、 按照權(quán)利要求1所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法,其特征在 于所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法中,將制備鈦鋁化合物基復(fù)合 材料所用的原料單質(zhì)Ti層和單質(zhì)Al層沉積在SiC纖維上之后,在500 700'C溫度條件下采用真空熱壓或熱等靜壓進(jìn)行壓制成型,擴(kuò)散結(jié)合形成復(fù) 合材料;壓制時(shí)間是1 3小時(shí),壓力大小為50MPa 150MPa;然后在繼續(xù)施壓或撤除外施壓力的條件下進(jìn)行高溫均勻化處理,高溫 均勻化處理的溫度條件是700 卯0。C,高溫均勻化處理的時(shí)間范圍是0.5 4小時(shí)。
4、 按照權(quán)利要求3所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法,其特征在 于所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法中,在增強(qiáng)纖維上首先分層制 備單質(zhì)Ti層或/和單質(zhì)Al層的具體方法是物理氣相沉積法。
5、按照權(quán)利要求4所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法,其特征在于復(fù)合材料的制備過程具體分為以下過程增強(qiáng)體外部單質(zhì)Ti層和/或 單質(zhì)A1層制備、制作纖維預(yù)制帶、除膠、熱壓成型、高溫均勻化和冷卻;首先在增強(qiáng)纖維上應(yīng)用物理氣相沉積法分層制備單質(zhì)Ti層和單質(zhì)Al 層;制備成Ti、 Al膜多次疊加的SiC復(fù)合絲;具體而言,復(fù)合絲使用對(duì)靶 磁控濺射儀制備,首先使用繞線機(jī)組將SiC纖維以一定間距平行纏繞在特 制轉(zhuǎn)輪架上,裝入磁控濺射儀真空腔內(nèi),腔內(nèi)兩對(duì)靶分別安裝純Ti和純Al, 分時(shí)間段在SiC纖維表面濺射Ti膜和Al膜,其中最內(nèi)層為Ti,最外層為 Al;濺射完畢后,使用真空擴(kuò)散結(jié)合工藝制備復(fù)合材料首先在繞絲機(jī)組 上將制得的多層復(fù)合絲緊密排列在圓柱形滾筒上,用膠黏液固定并干燥, 制成纖維預(yù)制帶,將預(yù)制帶裁切成與熱壓模具同等大小,層疊裝入純Ti箔制 成的包套中,在真空熱壓爐中除膠并熱壓成型;所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備采用真空擴(kuò)散結(jié)合工藝具體為真 空熱壓或熱等靜壓或準(zhǔn)等靜壓;除膠和熱壓成型的具體要求是首先在390士50'C保溫1 3小時(shí),除 去預(yù)制帶表面的膠粘液;隨后在500 70(TC溫度條件下進(jìn)行熱壓成型,熱 壓成型后在保溫以便促使鍍層擴(kuò)散反應(yīng)完全進(jìn)行,成分均勻化,具體參數(shù) 要求是640士5(TC/80土30MPa/2士lh;最后控制冷卻速度冷卻到450°C,冷 卻速度控制在1.5±0.5'C/min。
全文摘要
一種鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法,其特征在于所述鈦鋁化合物基復(fù)合材料的制備方法是;首先將單質(zhì)Ti層和單質(zhì)Al層交替沉積在SiC纖維外部表面上,然后在一定溫度下采用真空熱壓或熱等靜壓進(jìn)行壓制,擴(kuò)散結(jié)合形成復(fù)合材料。本發(fā)明可以有效的降低Ti-Al化合物基復(fù)合材料的制備溫度,明顯減少了基體在冷卻過程中由于熱脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致的熱應(yīng)力裂紋,并且基體與纖維之間的界面反應(yīng)得到很好的控制。本發(fā)明具有可預(yù)見的很大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。
文檔編號(hào)C23C14/18GK101469400SQ20071015923
公開日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者鸰 冀, 銳 楊, 王玉敏, 石南林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所