蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料及其制备方法，涉及钛铝合金，该材料中，TiAlNbMo合金元素组成成分的原子百分比为：Ti为54～45％、Al为44～49％、Nb为1～3％和Mo为1～3％，所加入的蓝宝石晶须与整体合金的体积百分比为3～5％；该材料的制备方法是：按TiAlNbMo合金元素组成成分的原子百分比配制原料；制备钛铝母合金铸锭；制备蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料。本发明专利技术克服了现有技术存在工艺复杂，生产周期性长，制备材料致密性差，且成分不均一，无法制成特定形状的零件，此外通过反应生成的氧化铝纤维长径比差距各异导致制得的复合材料力学性能较差的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料及其制备方法
本专利技术的技术方案涉及钛铝合金，具体地说是蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料及其制备方法。
技术介绍
现代结构材料不断地向高效率和高性能发展，钛铝高温合金的密度仅为传统镍基高温合金的密度的一半，且保持有良好的高温强度、抗氧化性和抗蠕变性的特点，因此在航空航天发动机领域有着广泛的应用前景。但是，由于钛铝合金属于金属间化合物，其本征脆性导致室温延展性极低，强度不高，限制了其加工和可成型性，导致无法得到广泛应用。目前，复合材料技术被公认为解决这一问题的行之有效的办法，其方法之一是采用合金化的方法，加入高熔点的合金元素；其方法之二是加入高弹性模量和高强度的陶瓷颗粒和纤维增强体，从而得到性能优异的钛铝复合材料。CN1775975A公开了Al2O3纤维增强TiAl3基体复合材料的制备方法，CN1775976A公开了Al2O3/TiAl复合材料合成方法，二者都是采用粉末冶金的方法，在球磨罐球磨后，在单向油压机压制成块，并通过加热烧结的方法反应生成氧化铝纤维或颗粒，其存在工艺复杂，生产周期性长，制备材料致密性差，且成分不均一，无法制成特定形状的零件，此外通过反应生成的氧化铝纤维长径比差距各异导致制得的复合材料力学性能较差的缺陷。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料及其制备方法，利用蓝宝石晶须与钛铝合金有着最为接近的密度比和热膨胀系数比，蓝宝石晶须的长径比大于103，当钛铝合金材料发生断裂的时候能够阻止裂纹扩展的特性，克服了现有技术存在工艺复杂，生产周期性长，制备材料致密性差，且成分不均一，无法制成特定形状的零件，此外通过反应生成的氧化铝纤维长径比差距各异导致制得的复合材料力学性能较差的缺陷。本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料，其中，TiAlNbMo合金元素组成成分的原子百分比为：Ti为54～45％、Al为44～49％、Nb为1～3％和Mo为1～3％，所加入的蓝宝石晶须与整体合金的体积百分比为3～5％。上述蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料的制备方法，具体步骤如下：第一步，配制原料：按元素组成成分的原子百分比为：Ti为54～45％、Al为44～49％、Nb为1～3％和Mo为1～3％称取原料商业纯钛、商业纯铝、商业铝铌中间合金和商业铝钼中间合金，按所加入的蓝宝石晶须与整体合金的体积百分比为3～5％称取商用蓝宝石晶须，由此完成配制原料；第二步，制备钛铝母合金铸锭：将上述第一步所称取的原料商业纯钛、商业纯铝、商业铝铌中间合金和商业铝钼中间合金放置于水冷铜坩埚真空熔炼悬浮炉中央，通过机械泵和扩散泵将该炉体内真空度控制在3×10-3Pa以下，并在氩气保护的环境下熔炼，熔炼温度控制在1750～1850℃，熔炼时间为10～15分钟，冷却得到钛铝母合金铸锭，将该得到的钛铝母合金铸锭反复熔炼2～5次，以保证获得成分均匀Ti-Al-Nb-Mo合金，冷却后最终得到直径为50mm，高度为200mm的钛铝母合金铸锭，由此完成制备钛铝母合金铸锭；第三步，制备蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料：对上述第二步制备的钛铝母合金铸锭使用电火花线切割机成φ20mm×70mm的圆柱形钛铝母合金铸锭块，用砂轮机打磨去除表面氧化皮，并在去离子水中超声震荡5个小时，再放入烘干箱中100℃中烘干处理5个小时，确保所有钛铝母合金铸锭块表面洁净干燥，将如此处理完毕的钛铝母合金铸锭块全部放入真空高频熔炼喷铸炉中熔炼，该熔炼的操作方法选用以下三种中的任意一种：第一种，将上述处理完毕的钛铝母合金铸锭块全部放入真空高频熔炼喷铸炉中，加入上述第一步所称取的商用蓝宝石晶须，通过机械泵和分子泵将炉体真空度控制1×10-3Pa以下，向炉体内充入高纯氩气，温度控制在1600～1700℃，熔炼时间控制在5～10分钟，然后浇铸，即制得蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料，其中，TiAlNbMo合金元素组成成分的原子百分比为：Ti为54～45％、Al为44～49％、Nb为1～3％和Mo为1～3％，蓝宝石晶须与整体合金的体积百分比为3～5％；第二种，准备一个石英试管，其底部的孔径直径为2～3mm，将将上述处理完毕的钛铝母合金铸锭块全部和第一步所称取的商用蓝宝石晶须同时放入上述石英试管中，在将该石英试管放入真空高频熔炼喷铸炉中，高频线圈加热温度控制在1100～1200℃，待石英试管内的合金金属液跳动后即采用喷铸成型的方法，即制得蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料，其中，TiAlNbMo合金元素组成成分的原子百分比为：Ti为54～45％、Al为44～49％、Nb为1～3％和Mo为1～3％，蓝宝石晶须与整体合金的体积百分比为3～5％；第三种，将上述处理完毕的钛铝母合金铸锭块全部放入真空高频熔炼喷铸炉中，加入上述第一步所称取的商用蓝宝石晶须，将该蓝宝石晶须悬挂在真空高频熔炼喷铸炉炉体上部的螺旋搅拌器上，待钛铝母合金加热熔化后，使用螺旋搅拌器将蓝宝石晶须置于钛铝母合金金属液内部并进行旋转搅拌处理，时间为1～2分钟以内，确保晶须均匀分散后浇铸成型，即制得蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料，其中，TiAlNbMo合金元素组成成分的原子百分比为：Ti为54～45％、Al为44～49％、Nb为1～3％和Mo为1～3％，蓝宝石晶须与整体合金的体积百分比为3～5％。上述蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料的制备方法，对上述第三步制备的TiAlNbMo合金复合材料进行压缩试验，具体操作方法是：将上述第三步制备的TiAlNbMo合金复合材料使用电火花线切割机成φ10mm×15mm的圆柱形TiAlNbMo合金复合材料块，将该圆柱形TiAlNbMo合金复合材料块表面用180#、240#、400#、600#、800#、1000#、1500#和2000#八种砂纸前后顺序打磨去除氧化皮，至圆柱形TiAlNbMo合金复合材料块两端水平和表面光滑，使用电子万能材料试验机测试这些圆柱形TiAlNbMo合金复合材料室温压缩性能，压缩试验加载速度为0.1mm/min，测得这些圆柱形TiAlNbMo合金复合材料的平均压缩强度为2389Mpa，平均压缩率达到19.48％。上述蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料的制备方法，所涉及的原料、试剂和设备均通过公知途径获得，操作工艺是本领域的技术人员所能掌握的。本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，本专利技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步：(1)晶须是一种通过单晶体生长的高纯度纤维，其晶体结构接近完整，内部无晶体学缺陷，具有很高的长径比，力学性能接近理论值，展现出极佳物理化学性能和机械性能，使其成为优良的增强体。蓝宝石晶须(即α-Al2O3晶须)相比于传统的Al2O3纤维的优点在于蓝宝石晶须是一种通过单晶体生长的高纯度纤维，作为单晶纤维内部原子结构高度有序，有着完整的晶体结构且缺陷极少，有着类似玻璃纤维延伸率，又有着像硼纤维一样的高模量，内部无晶体学缺陷，具有很高的长径比，力学性能接近理论值，展现出极佳物理化学性能和机械性能，使其成为优良的增强体。蓝宝石晶须拥有较高的热稳定性，熔点达本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料，其特征在于：其中，TiAlNbMo合金元素组成成分的原子百分比为：Ti为54～45%、Al为44～49 %、 Nb为1～3%和Mo为1～3%，所加入的蓝宝石晶须与整体合金的体积百分比为3～5%。

【技术特征摘要】
1.蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料，其特征在于：其中，TiAlNbMo合金元素组成成分的原子百分比为：Ti为54～45%、Al为44～49%、Nb为1～3%和Mo为1～3%，所加入的蓝宝石晶须与整体合金的体积百分比为3～5%。2.如上述蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：第一步，配制原料：按元素组成成分的原子百分比为：Ti为54～45%、Al为44～49%、Nb为1～3%和Mo为1～3%称取原料商业纯钛、商业纯铝、商业铝铌中间合金和商业铝钼中间合金，按所加入的蓝宝石晶须与整体合金的体积百分比为3～5%称取商用蓝宝石晶须，由此完成配制原料；第二步，制备钛铝母合金铸锭：将上述第一步所称取的原料商业纯钛、商业纯铝、商业铝铌中间合金和商业铝钼中间合金放置于水冷铜坩埚真空熔炼悬浮炉中央，通过机械泵和扩散泵将该炉体内真空度控制在3×10-3Pa以下，并在氩气保护的环境下熔炼，熔炼温度控制在1750～1850℃，熔炼时间为10～15分钟，冷却得到钛铝母合金铸锭，将该得到的钛铝母合金铸锭反复熔炼2～5次，以保证获得成分均匀Ti-Al-Nb-Mo合金，冷却后最终得到直径为50mm，高度为200mm的钛铝母合金铸锭，由此完成制备钛铝母合金铸锭；第三步，制备蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料：对上述第二步制备的钛铝母合金铸锭使用电火花线切割机成φ20mm×70mm的圆柱形钛铝母合金铸锭块，用砂轮机打磨去除表面氧化皮，并在去离子水中超声震荡5个小时，再放入烘干箱中100℃中烘干处理5个小时，确保所有钛铝母合金铸锭块表面洁净干燥，将如此处理完毕的钛铝母合金铸锭块全部放入真空高频熔炼喷铸炉中熔炼，该熔炼的操作方法选用以下三种中的任意一种：第一种，将上述处理完毕的钛铝母合金铸锭块全部放入真空高频熔炼喷铸炉中，加入上述第一步所称取的商用蓝宝石晶须，通过机械泵和分子泵将炉体真空度控制1×10-3Pa以下，向炉体内充入高纯氩气，温度控制在1600～1700℃，熔炼时间控制在5～10分钟，然后浇铸，即制得蓝宝石晶须增韧TiAlNbMo合金复合材料，其中，TiAlNbMo合金元素组成成分的原子百分比为：Ti为54～...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔春翔，谢嘉琪，崔森，吕健，丁金花，刘双进，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12