一种网状结构钛硅合金相增强TiAl基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种网状结构钛硅合金相增强TiAl基复合材料的制备方法，该方法是指按质量分数计，将65%~85%的预合金化的Ti‑46Al‑2Cr‑2Nb粉体与15%~35%的Ti5Si3粉末依次经机械混匀、真空热压烧结成型、室温下冷却，即得网状结构Ti5Si3增强TiAl基复合材料。本发明专利技术制备工艺简单、成本较低、产品性能稳定，所制备的网状结构Ti5Si3增强TiAl基复合材料具有较高的压缩强度和优异的抗磨损性能，可用作新型结构和抗磨损材料。

Fabrication of TiAl Matrix Composites Reinforced by Ti-Si Alloy with Reticulated Structure

The present invention relates to a preparation method of TiAl matrix composites reinforced by reticulated Ti-Si alloy phase. The method refers to the preparation of Ti_46Al_2Cr_2Nb pre-alloyed powder 65%~85% and Ti5Si3 powder 15%~35% by mechanical mixing, vacuum hot pressing sintering, and cooling at room temperature, so as to obtain Ti5Si3 reinforced TiAl matrix composites with reticulated structure. The Ti5Si3 reinforced TiAl matrix composites prepared by the method have high compressive strength and excellent wear resistance, and can be used as new structures and wear resistant materials.

【技术实现步骤摘要】
一种网状结构钛硅合金相增强TiAl基复合材料的制备方法
本专利技术涉及金属基复合材料制备
，尤其涉及一种网状结构钛硅合金相（Ti5Si3）增强TiAl基复合材料的制备方法。
技术介绍
TiAl基金属间化合物具有轻质、高比强、高比刚、优异的高温力学、抗氧化性能和抗蠕变性能、良好的阻燃能力等优点，是一种应用前景广泛的新型轻质耐高温结构材料。近年来通过合金化、热处理和热机械处理大大改善了TiAl金属间化合物的室温塑性和高温性能（稀有金属材料与工程，2011,44（12）：2060-2064）。但单一的TiAl金属间化合物难以满足航空、航天结构部件对高温强度、蠕变抗力及持久性能、塑性的综合要求，造成TiAl合金很难大规模实际应用。与之相比，陶瓷颗粒增强TiAl基复合材料能够兼顾TiAl合金和陶瓷的优点，在保持TiAl合金轻质特性的基础上进一步改善其高温强度、抗蠕变和抗氧化性能及塑性性能，且所制备材料具有各向同性性质，使TiAl合金的真正工程化应用成为可能（宇航材料与工艺，2012，1：20-29）。另一方面，在工程化应用中，材料的摩擦磨损性能是部件设计时一个重要的技术指标，然而单一TiAl基合金在室温至400℃温度范围内耐磨损性能较差，利用陶瓷颗粒相复合同时能够提高TiAl基合金的耐磨损性能。TiAl基复合材料陶瓷增强/抗磨相多选用与基体化学相容性好、热膨胀系数和密度相近的TiB2、Ti2AlC、Ti2AlN和Ti5Si3等增强相来进行复合，期望能起到高强、耐磨、轻质多重功效。在现有设计层面，高含量增强相是提高抗磨损性能的前提，但其在基体中主要以颗粒和团聚状形态分布，往往导致强度下降。中科院兰州化物所杨军等人利用粉末冶金工艺分别制备了高含量TiB2和Ti2AlC增强TiAl基复合材料，室温抗磨性能有所提高但强度降低（TribologyLetters2014;53;457-467;TribologyInternational2013;62;91-99）。哈尔滨工业大学孙东立等人报道了30%Ti2AlN/TiAl材料磨损较低（Wear2010;268;693-69）。近年来，研究者提出一种基于网状结构的新型增强机制，其设计思路是：在基体中构筑三维网状增强相，利用其刚性承载作用起到增强效果。哈尔滨工业大学孙东立等人以Al和Ti(N)为原料热压合成出具有良好高温压缩强度的网状结构20Vol.%Ti2AlN/TiAl材料，并提出了网状结构的形成机制（MaterialsCharacterization;2013;80:28-35.）。孔凡涛等用10Vol.%碳纳米管与Ti-50Al复合（SPS烧结）制备的网状结构Ti2AlC/TiAl材料，压缩强度和硬度分别为2058MPa和6.12GPa（JournalofAlloysandCompounds;2010;496:462-466）。吉林大学姜启川等人用Ti、Al、B单质粉末燃烧合成后快速加压制备出网状结构纳米TiB2（6Vol.%）增强TiAl基材料，压缩强度达到1892MPa（MaterialsScienceandEngineeringA;2013;560:596-600）。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、成本低、产品性能稳定的网状结构钛硅合金相（Ti5Si3）增强TiAl基复合材料的制备方法。为解决上述问题，本专利技术所述的一种网状结构钛硅合金相增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于：按质量分数计，将65%~85%的预合金化的Ti-46Al-2Cr-2Nb粉体与15%~35%的Ti5Si3粉末依次经机械混匀、真空热压烧结成型、室温下冷却，即得网状结构Ti5Si3增强TiAl基复合材料。所述预合金化的Ti-46Al-2Cr-2Nb粉体是指按原子百分比50:46:2:2称取Ti、Al、Cr、Nb元素粉末在低能球磨机中以350r/min的转速混合8h；混合均匀后，将混合粉末置于热压炉中，在温度为1000~1200℃，保温时间1~2h的条件下进行无压热处理；最后，将热处理后Ti-46Al-2Cr-2Nb粉体未加惰性气氛保护，在高能球磨机中以250~350r/min的转速进行机械合金化和细化处理8~12h即得。所述Ti5Si3粉体是指按原子百分比5:3称取Ti、Si元素粉末在低能球磨机中以400r/min的转速混合8h；混合均匀后，将混合粉末置于氧化铝坩埚，在氩气环境下利用钼丝将其点燃，收集产物；最后将所述产物在氩气环境下、高能球磨机中以250r/min的转速进行细化处理12h即得。所述机械混合的条件是指转速为300~400r/min，时间为8~12h。所述真空热压烧结成型的条件是指烧结温度为1300~1400℃，压力为20~30MPa，保温保压时间为30min~2h。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术利用自蔓延合成技术制备了Ti5Si3粉体材料，经XRD技术测试，所制备的Ti5Si3粉体材料具有较高纯度（参见图1）。2、本专利技术未加惰性气氛保护，采用热处理和机械合金化制备了高活性Ti-46Al-2Cr-2Nb预合金粉体，并通过调控预合金Ti-46Al-2Cr-2Nb粉体和Ti5Si3粉体的制备工艺，成功获得一种网状结构Ti5Si3增强TiAl基复合材料。该复合材料经XRD技术、扫描电子显微镜技术（SEM）测试显示，主要由TiAl和Ti5Si3两相组成，说明二者具有较佳的化学相容性，同时Ti5Si3增强相以网状结构均匀分散于TiAl基体中（参见图2~3）。另外，该复合材料还具有较高的压缩强度和优异的抗磨损性能（参见图4~5）。3、现有技术中，网状结构Ti2AlC/TiAl复合材料制备工艺（JournalofMaterialsScienceandTechnology;2018;34:670-678;JournalofAlloysandCompounds;2010;496:462-466）：利用纳米TiC复合粉体（4500元/公斤）或成本更高的碳纳米管与预合金TiAl粉体混合8h或20h后热压成型获得。网状结构TiB2/TiAl和Ti5Si3/TiAl复合材料制备工艺（MaterialsScienceandEngineeringA;2013;560:596-600）：将Ti、Al元素与B粉或Si粉球磨8h，后采用特殊的自蔓延+同步热压设备获得块体材料，所使用仪器非领域公知常用设备，大规模应用困难且增强相含量低，难以大幅度提高抗磨损性能；另外所制备的网状Ti5Si3/TiAl复合材料虽然Ti5Si3含量（6Vol.%）较本专利技术复合材料低，但强度没有明显优势且抗磨损性能难以大幅度提升。网状结构Ti2AlN/TiAl复合材料制备工艺（MaterialsCharacterization;2013;80:28-35）：Ti粉需在高温（500~600℃）和流通氮气环境下（纯度99.999%，1atm，500ml/min）处理4～24h，然后与Al粉球磨混合8h后热压烧结获得。而本专利技术与现有技术相比，制备工艺简单、成本较低且产品性能稳定，可用作新型结构和抗磨损材料。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1为本专利技术实施例所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种网状结构钛硅合金相增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于：按质量分数计，将65%~85%的预合金化的Ti‑46Al‑2Cr‑2Nb粉体与15%~35%的Ti5Si3粉末依次经机械混匀、真空热压烧结成型、室温下冷却，即得网状结构Ti5Si3增强TiAl基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种网状结构钛硅合金相增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于：按质量分数计，将65%~85%的预合金化的Ti-46Al-2Cr-2Nb粉体与15%~35%的Ti5Si3粉末依次经机械混匀、真空热压烧结成型、室温下冷却，即得网状结构Ti5Si3增强TiAl基复合材料。2.如权利要求1所述的一种网状结构钛硅合金相增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于：所述预合金化的Ti-46Al-2Cr-2Nb粉体是指按原子百分比50:46:2:2称取Ti、Al、Cr、Nb元素粉末在低能球磨机中以350r/min的转速混合8h；混合均匀后，将混合粉末置于热压炉中，在温度为1000~1200℃，保温时间1~2h的条件下进行无压热处理；最后，将热处理后Ti-46Al-2Cr-2Nb粉体未加惰性气氛保护，在高能球磨机中以250~350r/min的转速进行机械合金化...

【专利技术属性】
技术研发人员：程军，杨军，刘维民，朱圣宇，谈辉，乔竹辉，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62