一种改善钛铝层状复合材料组织和提高力学性能的方法技术

本发明专利技术提供的是一种改善钛铝层状复合材料组织和提高力学性能的方法。对钨芯SiC陶瓷纤维进行预处理，对NiTi合金丝、Ti箔、Al箔进行超声波清洗，按照“Ti箔‑钨芯SiC陶瓷纤维与NiTi合金丝‑Al箔‑Ti箔”为一个单元叠放，每2根NiTi合金丝之间放置4根SiC纤维，间距1mm，上下表面均为Ti层，利用真空热压装置对其进行烧结。本发明专利技术利用NiTi丝中镍和钛元素易与铝元素在低温下发生反应，形成金属间化合物的设计原理，通过真空热压烧结法将SiC纤维和NiTi合金丝同时引入到金属间化合物层中，其中SiC纤维作为增强体，而NiTi合金丝的引入是为了利用其与Al的充分扩散反应机理来消除金属间化合物层中心线，进而改善SiC纤维/基体界面，从而提高复合材料的力学性能。

A method to improve the microstructure and mechanical properties of Ti Al Layered Composites

The invention provides a method for improving the microstructure and mechanical properties of titanium aluminum layered composite materials. The tungsten core SiC ceramic fiber pretreatment, ultrasonic cleaning of NiTi alloy wire, Ti foil and Al foil, in accordance with the \Ti foil tungsten core SiC ceramic fiber and NiTi alloy wire Al foil Ti foil as a unit stacked, each 2 NiTi alloy wire is placed between 4 pieces of SiC fiber, spacing 1mm, upper and lower surfaces are Ti layer, using vacuum hot pressing sintering on the device. The invention uses nickel and titanium and aluminum wire in NiTi elements elements occurs in response to low temperatures, the design principle of formation of intermetallic compounds, SiC fiber and NiTi alloy wire and into the intermetallic compound layer by vacuum hot pressing sintering method, the SiC fiber as the reinforcement, and the introduction of NiTi alloy is to with the full diffusion reaction mechanism of Al intermetallic compound layer to eliminate the center line, and then improve the SiC fiber / matrix interface, so as to improve the mechanical properties of composite materials.

【技术实现步骤摘要】
一种改善钛铝层状复合材料组织和提高力学性能的方法
本专利技术涉及的是一种复合材料的制备方法，具体地说是一种钛铝层状复合材料的改性方法。
技术介绍
近年来，一种新型的轻质高性能空天结构材料——金属间化合物层状复合材料引起了人们的广泛关注。人们利用不同的制备技术，已成功制备出Ti-Al、Ni-Al、Nb-Al及Ti-Cu等金属间化合物层状复合材料体系，其中，Ti-Al系金属间化合物层状复合材料由于其优异的物理及力学性能，使得其在航空、航天等尖端行业有重大的发展前景。其中，最具代表性的是以金属间化合物Al3Ti为基体，由高强度钛合金(Ti-6Al-4V)增强的Ti/Al3Ti层状复合材料(metal-intermetallic-laminate，简称MIL)。与其他Ti-Al系金属间化合物(如TiAl,Ti3Al等)相比，Al3Ti的密度最小、比强度最高、高温抗氧化性能最好而特别引人注目。90年代中期，金属间化合物层状复合材料Ti/Al3Ti是由美国奥尔巴尼研究中心(AlbanyResearchCenter)的研究人员采用真空烧结的方法开发研究出来。本世纪初加州大学圣迭戈分校(UniversityofCalifornia,SanDiego)又开发了具有自主产权的无真空烧结制备MIL复合材料专利技术，从而使MIL复合材料实现了低成本、商用化。Vecchio等人利用该技术成功制备出Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料，研究表明Ti/Al3Ti层状复合材料具有优异的性能，在金属/金属间化合物层状复合材料体系中最具发展前景。但由于Al3Ti室温塑性、韧性太低，使得该类钛铝层状复合材料在实际应用上受到了限制。为了进一步提高钛铝金属间化合物的室温塑性和高温性能，复合材料的强韧化机制被引入该领域，高强度连续纤维被引入到金属间化合物基体中。美国航空航天局路易斯研究中心(NASALewisResearchCenter)的工作表明：在一个相对比较弱的基体内用40vol.％高强纤维增强的复合材料，在高温蠕变试验中基体仅承担约3％的载荷。由此可见，该种复合思想对改善钛铝金属间化合物室温塑性和高温性能具有重要的意义，同时对减轻形状复杂的发动机高温部件的重量有更大的潜力。Bouix和Petitcorps等人研究发现，向Ti-Al金属间化合物中引入SiC纤维后，该金属间化合物的韧性得到了一定的改善；汪等人利用金属箔冶金反应方法成功的将NiTi合金丝引入到了Ti/Al3Ti层状复合材料中，研究表明该类新型的结构与功能复合材料由于NiTi合金丝的加入获得了较优异的力学性能和阻尼性能。近期，一种新型的Al2O3纤维增强Ti/Al3Ti层状复合材料利用真空热压烧结法制备出来，使钛铝层状复合材料的抗拉强度和韧性都得到了显著提高。但是，钛铝层状复合材料引入纤维前后，其金属间化合物层都存在明显的中心线。研究发现，钛铝金属间化合物在Ti/Al界面逐渐形核长大，反应界面由钛层前端逐渐向前推进，当遇到由相邻钛层前端推进而来的反应界面时，原本聚集在反应界面的氧化物或杂质便形成了中心线。当材料发生失效时，裂纹首先在金属间化合物层中心线处萌生并扩展，对复合材料的性能造成严重的影响，尤其是对平行方向压缩强度的影响最大。因此，消除钛铝层状复合材料中心线，改善其显微组织并提高其性能成为研究的热点与重点。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种能够改善钛铝层状复合材料的显微结构，进一步提高其性能，操作方便，成本较低，无污染的改善钛铝层状复合材料组织和提高力学性能的方法。本专利技术的目的是这样实现的：1、对钨芯SiC陶瓷纤维进行预处理，2、对NiTi合金丝、Ti箔、Al箔进行超声波清洗，3、按照“Ti箔-钨芯SiC陶瓷纤维与NiTi合金丝-Al箔-Ti箔”为一个单元叠放，每2根NiTi合金丝之间放置4根SiC纤维，间距1mm，上下表面均为Ti层，利用真空热压装置对其进行烧结。本专利技术好可以包括：1、所述烧结具体包括：在真空度为10-3Pa的条件下，以10℃/min的升温速度升温至600℃并保温1小时，压力为2.5MPa；随后以1℃/min的速度升温至630℃并保温3h，升温过程中压力为1.5MPa，630℃保温过程压力低于0.5MPa；最后随炉冷却至室温，保持压力为2MPa。2、所述烧结具体包括：在真空度为10-3Pa下，以10℃/min的速度升温至600℃并保温1小时，压力为2.5MPa；随后以1℃/min的速度升温至630℃并保温3h，升温过程中压力为1.5MPa，630℃保温过程压力低于0.5MPa；然后再升温至650℃并保温4h，压力为2MPa；最后随炉冷却至室温。本专利技术针对钛铝层状复合材料发展的需求，利用NiTi合金丝中的元素镍和钛易与铝在低温下反应生成金属间化合物的原理，通过金属箔冶金反应法将SiC纤维和NiTi合金丝同时引入到金属间化合物层中，其中SiC纤维作为增强体，NiTi合金丝的引入是为了利用其与Al的扩散反应机理，使原本聚集在Ti/Al反应界面前端的氧化物及杂质分散开，阻止其聚集在一起形成中心线，进一步改善了纤维/基体界面，解决了该类复合材料易在金属间化合物层形成中心线、降低力学性能等问题，为进一步改善钛铝层状复合材料的微观组织和提高其性能提供新的技术途径。本专利技术目的是改善钛铝层状复合材料的显微结构、改善纤维/基体界面等问题并进一步提高其性能。优化后的层状复合材中，金属间化合物层中心线被明显消除，纤维与基体紧密结合，且优化后的复合材料的力学性能得到明显提升。制备过程在真空热压烧结装置上低温条件下进行，便于操作，成本较低，无污染。本专利技术的技术方案是：通过真空热压烧结法将SiC纤维和NiTi合金丝同时引入到钛铝层状复合材料中。该方法所用原材料为钨芯Si陶瓷纤维；NiTi合金丝，其化学成分为：镍(Ni)：55.83，碳(C)：0.04，氮(N)：0.004～0.005，氢(H)：0.001，钛(Ti)：其他，其他元素<0.4；钛合金(TC4)，其化学成分为：铝(Al)：5.5～6.8，钒(V)：3.5～4.5，铁(Fe)≤0.30，碳(C)≤0.10，氮(N)≤0.05，氢(H)≤0.015，氧(O)≤0.20，钛(Ti)：其他；商用铝为1060，其化学成分为：铝(Al)：99.60，硅(Si)0.25，铜(Cu)0.05，锌(Zn)0.05，锰(Mn)0.03；镁(Mg)0.03，铁(Fe)0.35，钛(Ti)0.03，钒(V)0.05。本专利技术的制备方法主要包括：首先将钨芯SiC陶瓷纤维进行预处理，用酒精清洗纤维表面，去除表面有机物及杂质，最后将纤维烘干。采用金相砂纸对NiTi合金丝、金属箔表面进行打磨，去除氧化层，再用超声波清洗机对NiTi合金丝、Ti箔、Al箔进行清洗，时间为15～20min，温度为30～40℃，去除表面残留的氧化物颗粒和杂质，最后用酒精对金属箔材和合金丝进行清洗并烘干。按照“Ti箔-SiC纤维/NiTi合金丝-Al箔-Ti箔”为一个单元叠放，每2根NiTi合金丝之间放置4根SiC纤维，间距1mm，上下表面均为Ti层，利用真空热压装置对其进行烧结，制备流程图见附图1，复合材料结构设计示意图见附图2。主要工艺参数：在真空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改善钛铝层状复合材料组织和提高力学性能的方法，其特征是：(1)、对钨芯SiC陶瓷纤维进行预处理，(2)、对NiTi合金丝、Ti箔、Al箔进行超声波清洗，(3)、按照“Ti箔‑钨芯SiC陶瓷纤维与NiTi合金丝‑Al箔‑Ti箔”为一个单元叠放，每2根NiTi合金丝之间放置4根SiC纤维，间距1mm，上下表面均为Ti层，利用真空热压装置对其进行烧结。

【技术特征摘要】
1.一种改善钛铝层状复合材料组织和提高力学性能的方法，其特征是：(1)、对钨芯SiC陶瓷纤维进行预处理，(2)、对NiTi合金丝、Ti箔、Al箔进行超声波清洗，(3)、按照“Ti箔-钨芯SiC陶瓷纤维与NiTi合金丝-Al箔-Ti箔”为一个单元叠放，每2根NiTi合金丝之间放置4根SiC纤维，间距1mm，上下表面均为Ti层，利用真空热压装置对其进行烧结。2.根据权利要求1所述的改善钛铝层状复合材料组织和提高力学性能的方法，其特征是所述烧结具体包括：在真空度为10-3Pa的条件下，以10℃/min的升温速度升温至600℃并保温1小时，压力为2...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜风春，韩雨蔷，蔺春发，果春焕，常云鹏，牛中毅，王振强，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23