一种TiAlNb基层状复合材料及其制备方法技术

一种TiAlNb基层状复合材料及其制备方法，属于合金材料制备技术领域，本发明专利技术要解决为获得高温性能和室温塑韧性较好的TiAlNb基层状复合材料。一种TiAlNb基层状复合材料是利用Nb箔、TiAl合金薄板、Ti2AlNb箔、Ti箔叠层、热压制成。方法：一、制备TiAl合金铸锭；二、对TiAl合金铸锭进行线切割和酸洗减薄制备TiAl合金薄板；三、Ti箔、Nb箔和Ti2AlNb箔进行表面清洗；四、将获得的TiAl合金薄板和表面清洗后的Ti箔、Nb箔和Ti2AlNb合金箔按照一定顺序进行叠层，制备预制体；五、热压真空烧结制备复合材料。本发明专利技术工艺简单，无需专用设备，工艺过程容易实现，可用于制备TiAlNb基层状复合材料。

A TiAlNb Base Composite and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种TiAlNb基层状复合材料及其制备方法
本专利技术属于合金材料制备
，具体涉及一种TiAlNb基层状复合材料及其制备方法。
技术介绍
TiAl基合金是一种新型轻质耐热结构材料，具有比强度高、比刚度高、耐高温、抗氧化性能好等优点，成为全世界范围内航空、航天和汽车等领域研究和应用的重点材料。但是，TiAl基合金一直存在的问题是室温塑形及韧性低，不易加工和成型。近年来，基于层状结构生物(珍珠母或贝壳等)的灵感，逐渐发展起来一种新型的层状复合材料。层状材料可以弥补单层材料内在性能的不足，通过调整组元层厚和层内材料性质能够获得强、韧最佳配合。基于此，通过TiAlNb层状复合结构设计，不仅可以发挥出TiAl基合金材料的高温性能，同时能进一步提高TiAl基合金的耐高温性以及室温塑韧性。但是存在如何设计TiAlNb层状复合材料的结构和后续加工成型方法的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决如何设计TiAlNb层状复合材料的结构和后续加工成型方法的问题，提供一种TiAlNb基层状复合材料及其制备方法，该方法可发挥出TiAl基合金材料的高温性能，同时能进一步提高TiAl基合金的耐高温性以及室温塑韧性。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种TiAlNb基层状复合材料，所述TiAlNb基层状复合材料含有Nb层、TiAl合金层、Ti2AlNb合金层及Ti层；所述Nb层与TiAl合金层界面间形成含有Nb的γ-TiAl合金层，厚度为2～5μm；所述TiAl合金层与Ti2AlNb合金层界面间形成2～10μm的过渡层；所述Ti2AlNb合金层与Ti层界面间形成由β-Ti和α-Ti组成的厚度为2～10μm的双相Ti合金过渡层；所述TiAl合金层由单相γ-TiAl片层组成，所述Ti2AlNb合金层为O相、α2相和B2/β相三相组成的等轴组织或O相和B2/β相两相组成的组织，所述Ti层为α-Ti层。一种上述的TiAlNb基层状复合材料的制备方法，所述方法具体如下：一、TiAl合金铸锭的制备：采用真空复合感应熔炼或/和电子束熔炼方式制备TiAl合金铸锭，熔炼至少三遍以上，保证铸锭成分均匀；二、TiAl合金薄板的制备：将步骤一得到的TiAl合金铸锭进行线切割和酸洗减薄，利用线切割的方式获得厚度为300μm～1000μm的TiAl板，依次用丙酮和酒精清洗TiAl板的表面；再用HF、HNO3和H2O的混合溶液对TiAl板进一步腐蚀减薄，通过控制腐蚀时间的长短，获得50μm～300μm的TiAl合金薄板；三、Ti箔、Nb箔和Ti2AlNb箔的表面清洗：将Ti箔、Nb箔和Ti2AlNb箔依次用丙酮和酒精清洗箔材，去除箔材表面油污，使用5vol.～10vol.％HF溶液清洗Ti箔，HF清洗Nb箔，HF、HNO3和H2O的混合溶液对Ti2AlNb箔进行清洗，分别清洗20s～60s后，取出分别浸泡在清水中，使用超声波清洗技术清洗三种箔材，再将箔材分别浸入酒精溶液(纯度大于>99.9％)中继续清洗，吹干备用；四、制备预制件：将步骤二得到的TiAl合金薄板和步骤三得到的Nb箔、Ti2AlNb箔、Ti箔的一个周期叠层按照Nb/TiAl/Ti2AlNb/Ti/Ti2AlNb/TiAl/Nb的顺序叠放，叠好后用石墨纸包覆，然后用不锈钢丝线进行固定，制备出预制件；五、真空热压烧结：将步骤四得到的预制件放入模具中，装入真空热压炉内，抽取炉内真空至1×10-2Pa以下，升温至700～800℃，保温20～60min；然后升温到980～1100℃，施加20～40MPa压力，保温0.5h～2h；保留压力，随炉冷却到800℃后，卸载掉一半的压力，随炉冷却至200℃泄压完全。本专利技术相对于现有技术的有益效果为：本专利技术中通过调控TiAl合金薄板、Ti2AlNb箔和Nb箔的厚度，能够获得密度、力学性能等的最佳匹配。本专利技术利用Nb箔、TiAl合金薄板、Ti2AlNb合金箔、Ti箔单元直接合成TiAlNb基层状复合材料，制备工艺简单易行，材料致密，成本低，能同时提高材料的高温强度和室温塑韧性。附图说明图1是TiAlNb基层状复合材料一个周期叠层结构示意图；图2是TiAlNb基层状复合材料的XRD图；图3是TiAlNb基层状复合材料的显微组织BSE图；图4是热压烧结制备的TiAlNb基层状复合材料实物图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围之中。具体实施方式一：本实施方式记载的是一种TiAlNb基层状复合材料，所述TiAlNb基层状复合材料含有Nb层、TiAl合金层、Ti2AlNb合金层及Ti层；所述Nb层与TiAl合金层界面间形成含有Nb，且Nb含量较高的γ-TiAl合金层，厚度为2～5μm；所述TiAl合金层与Ti2AlNb合金层界面间形成2～10μm的过渡层；所述Ti2AlNb合金层与Ti层界面间形成由β-Ti和α-Ti组成的厚度为2～10μm的双相Ti合金过渡层；所述TiAl合金层由单相γ-TiAl片层组成，所述Ti2AlNb合金层为O相(Ti2AlNb相)、α2相(Ti3Al相)和B2/β三相组成的等轴组织或O相和B2/β相两相组成的组织，所述Ti层为α-Ti层。本专利技术在结构上按照耐高温的能力不同，从外到里按照Nb/TiAl/Ti2AlNb/Ti/Ti2AlNb/TiAl/Nb结构以此层叠，能从整体上提高复合材料的耐高温性能。Ti层与Ti2AlNb合金层界面间形成了新相β-Ti，界面由α-Ti和β-Ti组成，在TiAl合金层和Ti2AlNb合金层界面间没有形成新相，只是γ-TiAl和Ti2AlNb合金的合金元素含量发生一定的变化，TiAl合金层与Nb层界面间也没有新相形成，界面层是Nb含量梯度变化的γ-TiAl过渡层。本专利技术中，将耐高温的Nb放在最外层，既能提高TiAl基合金材料的塑性，又能提高其耐温性，将Ti2AlNb合金层放在TiAl合金层下面，能够提高TiAl合金的塑性，这样能避免TiAl合金层与Nb塑性和强度差别较大而无法匹配的问题。可以通过控制界面层的厚度，保证界面连接较好的同时，不会因为保温时间过长导致基体晶粒粗化而性能恶化。通过改变Nb层、Ti2AlNb合金层、TiAl合金层和Ti层的厚度来调控最终TiAlNb基层状复合材料的力学性能和密度，获得综合性能最好的材料。具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种TiAlNb基层状复合材料，所述Nb层的单层厚度为25～50μm，所述Nb层、TiAl合金层、Ti2AlNb合金层、Ti层的单层厚度比为1～2：6：4：4。具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种TiAlNb基层状复合材料，所述TiAl合金层的单层厚度为150～200μm，所述Nb层、TiAl合金层、Ti2AlNb合金层、Ti层的单层厚度比为1：6～8：4：4。具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种TiAlNb基层状复合材料，所述Ti2AlNb合金层的单层厚度为50～150μm，优选为50～100μm，所述Nb层、TiAl合金层、Ti2AlNb合金层、Ti层的单层厚度比为1：6：2～6：4。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TiAlNb基层状复合材料，其特征在于：所述TiAlNb基层状复合材料含有Nb层、TiAl合金层、Ti2AlNb合金层及Ti层；所述Nb层与TiAl合金层界面间形成含有Nb的γ‑TiAl合金层，厚度为2～5μm；所述TiAl合金层与Ti2AlNb合金层界面间形成2～10μm的过渡层；所述Ti2AlNb合金层与Ti层界面间形成由β‑Ti和α‑Ti组成的厚度为2～10μm的双相Ti合金过渡层；所述TiAl合金层由单相γ‑TiAl片层组成，所述Ti2AlNb合金层为O相、α2相和B2相三相组成的等轴组织或O相和B2相两相组成的组织，所述Ti层为α‑Ti层。

【技术特征摘要】
1.一种TiAlNb基层状复合材料，其特征在于：所述TiAlNb基层状复合材料含有Nb层、TiAl合金层、Ti2AlNb合金层及Ti层；所述Nb层与TiAl合金层界面间形成含有Nb的γ-TiAl合金层，厚度为2～5μm；所述TiAl合金层与Ti2AlNb合金层界面间形成2～10μm的过渡层；所述Ti2AlNb合金层与Ti层界面间形成由β-Ti和α-Ti组成的厚度为2～10μm的双相Ti合金过渡层；所述TiAl合金层由单相γ-TiAl片层组成，所述Ti2AlNb合金层为O相、α2相和B2相三相组成的等轴组织或O相和B2相两相组成的组织，所述Ti层为α-Ti层。2.根据权利要求1所述的一种TiAlNb基层状复合材料，其特征在于：所述Nb层的单层厚度为25～50μm，所述Nb层、TiAl合金层、Ti2AlNb合金层、Ti层的单层厚度比为1～2：6：4：4。3.根据权利要求1所述的一种TiAlNb基层状复合材料，其特征在于：所述TiAl合金层的单层厚度为150～200μm，所述Nb层、TiAl合金层、Ti2AlNb合金层、Ti层的单层厚度比为1：6～8：4：4。4.根据权利要求1所述的一种TiAlNb基层状复合材料，其特征在于：所述Ti2AlNb合金层的单层厚度为50～150μm，所述Nb层、TiAl合金层、Ti2AlNb合金层、Ti层的单层厚度比为1：6：2～6：4。5.根据权利要求1所述的一种TiAlNb基层状复合材料，其特征在于：所述TiAl合金层的单层厚度为50～400μm，组织为双态、片层或近全片层。6.根据权利要求1所述的一种TiAlNb基层状复合材料，其特征在于：所述Nb层采用纯Nb箔，厚度为20～100μm；所述Ti层为TA1、TC4或TB6中的一种，厚度为50～200μm。7.一种权利要求1～6任一权利要求所述的TiAlNb基层状复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法具体如下：一、TiAl合金铸锭的制备：采用真空复合感应熔炼或/和电子束熔炼方式制备TiAl合金铸锭，熔炼至少三遍以上，保证铸锭成分均匀；二、TiAl合金薄板的制备：将步骤一得到的TiAl合金铸锭进行线切割和酸洗减薄，利用线切割的方式获得厚度为300μm～1000μm的TiAl板，依次用丙酮和酒精清洗TiAl板的表面；再用HF、HNO3和H2O的混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆良顺，李东海，王亮，苏彦庆，郭景杰，刘文祎，王耀奇，徐严谨，韩宝帅，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，中国航空制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23