一种钛铝基金属间化合物及其固相制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛铝基金属间化合物及其固相制备方法，制备方法包括金属粉末机械混合、冷喷涂沉积、搅拌摩擦加工后处理等步骤。与现有技术相比，本发明专利技术提供的方法避免了常规熔炼制备过程特有的一些组织与性能问题，具有快速沉积、易于实现工业化等优点，制备的钛铝金属间化合物，其组织结构和力学性能稳定，可作为结构材料应用于航空航天和汽车工业等领域。为结构材料应用于航空航天和汽车工业等领域。为结构材料应用于航空航天和汽车工业等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种钛铝基金属间化合物及其固相制备方法


[0001]本专利技术属于金属材料和表面工程领域，涉及一种钛铝基金属间化合物材料或防护涂层制备方法，具体涉及一种基于冷喷涂和搅拌摩擦加工后处理技术的固相制备方法。

技术介绍

[0002]TiAl系金属间化合物因其高比强度，优异的抗氧化性和抗蠕变性能，可在650～850℃温度区间长期服役，是替代镍基高温合金实现发动机轻量化、耐高温，提高发动机推重比的理想材料。塑性变形能力差、热加工窗口窄等问题是限制TiAl系金属间化合物工程应用的重要原因。锻造、铸造等传统制坯方法存在成形精度低、组织性能不均匀等问题；增材制造在成形过程中由于温度的梯度变化导致的冶金缺陷以及应力分布状态难以控制。此外，传统的加工方法无法保证加工表面质量，大幅降低关键构件的服役寿命和可靠性。因此开发新型高质量、低成本TiAl系金属间化合物的制坯及加工方法是推进其工程应用的必要步骤。
[0003]冷喷涂技术作为一种新兴的固态增材制造方法，通过粒子间局部冶金结合和机械锁合实现沉积，原料粒子在整个沉积过程中始终保持固态，可以有效避免由于高温以及温度变化导致的缺陷，是一种极具潜力的固相增材制造方法，适用于沉积具有一定塑性变形能力的金属或合金。冷喷涂增材体还具有广泛的强
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韧性调控范围，有效避免TiAl系金属间化合物本征加工
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服役性能不匹配的问题。然而，TiAl系金属间化合物硬度高、脆性大，难以直接通过冷喷涂进行制备；另外，冷喷涂增材制造材料存在内部孔隙、组织不均匀、颗粒间结合强度弱等问题，需要进行必要的后处理才能改善其组织性能。
[0004]搅拌摩擦加工技术一般用于对冷喷涂材料进行后处理，这种塑性变形技术可有效消除喷涂态材料内部的颗粒界面与孔隙，不仅会产生细小等轴晶粒，而且会增加冶金颗粒间的结合强度，同时在搅拌的过程中还可实现金属的合金化。

技术实现思路

[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术基于冷喷涂和搅拌摩擦加工技术提出一种钛铝基金属间化合物材料的固相制备方法。该方法对钛和铝单质粉末机械混合后，通过控制冷喷涂工艺参数：喷涂气体温度，喷涂气压，喷涂速度，喷涂距离，混合粉末之间及其与基体快速形成致密结合，再通过后续搅拌摩擦加工后处理过程实现金属单质粉末的合金化与致密化，最终获得钛铝金属间化合物材料或涂层的制备。
[0006]本专利技术技术方案为：
[0007]一种钛铝基金属间化合物的固相制备方法，步骤如下：
[0008]步骤1：金属粉末的混合
[0009]按设定目标合金质量比称取Ti和Al金属粉末；
[0010]步骤2：基材预处理
[0011]预处理包括对基材外表面的清洗、干燥和喷砂，保证预处理后的母材无明显氧化
物、油污残留，能够进行冷喷涂沉积；
[0012]步骤3：冷喷涂沉积
[0013]利用冷喷涂技术在铝合金基体上制备钛铝基金属间化合物材料；
[0014]步骤4：搅拌摩擦加工处理
[0015]利用搅拌摩擦焊接设备对冷喷涂制备的钛合金与铝复合材料进行搅拌摩擦加工后处理，加工过程中控制搅拌摩擦加工参数，获得钛铝金属间化合物。
[0016]所述的固相制备方法，步骤1中，将Ti、Al单质粉末按照Ti占15～35％，Al占65～85％体积比进行机械混合；所述Ti、Al各元素粉末的粒径为300～800目。
[0017]所述的固相制备方法，冷喷涂时，工件外表面距离喷枪垂直距离为10mm～25mm。
[0018]所述的固相制备方法，冷喷涂制备的材料厚度在0.5～7mm。
[0019]所述的固相制备方法，所述冷喷涂工艺参数为：所述冷喷涂工艺参数为：喷涂气体温度为500～650℃，喷涂气压为4～5MPa，喷涂速度为10～20mm/s，喷涂距离为10～25mm。
[0020]所述的固相制备方法，所述搅拌摩擦加工处理工艺参数为：搅拌针直径范围为5～10mm、搅拌针的长度为2～10mm，且满足搅拌针的长度与板厚比值范围为0.5～0.85，轴肩尺寸为2.5～3倍搅拌针直径，搅拌头移动速度范围40～80mm/s，转速1000～1800rpm。
[0021]根据任一所述固相制备方法制备的金属间化合物防护涂层。
[0022]本专利技术提出的一种钛铝基金属间化合物材料的固相制备方法：采用冷喷涂技术对Ti、Al单质混合粉末进行沉积后通过搅拌摩擦加工后处理对单质粉末进行合金化，制备出钛铝基金属间化合物材料，具有成本低、简单易控，速度快，厚度均匀，质量高等特点。
[0023]利用本专利技术可通过表面技术生产出钛铝金属间化合物涂层，其优点是：冷喷涂操作容易控制，速度快，厚度均匀，涂层质量高；涂层与基体之间结合致密，孔隙率低；结合搅拌加工后处理可促进喷涂态组织的合金化，原位生成致密均匀的钛铝金属间化合物。材料的组织结构致密性体现在：本专利方法制备的材料研制的TiAl系金属间化合物冷喷涂增材体孔隙率＜0.5％。
附图说明
[0024]图1：本专利技术所使用的原始Al粉形貌图像；
[0025]图2：本专利技术所使用的原始Ti粉形貌图像；
[0026]图3：本专利技术提供的一种冷喷涂钛铝涂层的截面形貌光镜照片；
[0027]图4：本专利技术提供的一种冷喷涂钛铝涂层截面的元素分布能谱图像；
[0028]图5：本专利技术提供的一种冷喷涂钛铝涂层搅拌摩擦加工后截面背散射电子图像；
[0029]图6：本专利技术提供的一种冷喷涂钛铝涂层搅拌摩擦加工后截面元素分布能谱图像；
具体实施方式
[0030]以下结合具体实施例，对本专利技术进行详细说明。
[0031]本专利技术提供的钛铝基金属间化合物材料的固相制备方法，包括如下步骤：
[0032]A)对Ti、Al的单质粉末进行机械混合；
[0033]B)利用冷喷涂设备制备出Ti、Al单质金属涂层；
[0034]C)对冷喷涂制备的涂层进行搅拌摩擦加工后处理；
[0035]所述步骤A)具体为将Ti、Al单质粉末按照Ti占15～35％，Al占65～85％体积比进行机械混合。
[0036]所述步骤B)具体为：将工件固定在竖直放置的机械手臂上，使工件对准冷喷涂设备的喷枪，工件外表面距离喷枪垂直距离为10mm～25mm，设定机械手运动路径，使喷枪相对于工件表面进行一定区域的扫描。将经过步骤A处理的Ti、Al混合粉末装入送粉器中，通过加热器调节喷涂气体温度，通过与高压氮气瓶相连的减压阀调节预热以及喷涂时的气压，对所述工件外表面进行喷涂，待获得结合致密且性能优异的外壁涂层后，结束加热及送气。所述优选的冷喷涂工艺参数为：喷涂气体温度为550℃，喷涂气压为4MPa，机械手移动速度为10mm/s，喷涂距离15mm。
[0037]所述步骤C)具体为：对制备的Ti、Al混合物涂层进行搅拌摩擦加工合金化处理，获得Ti
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Al金属间化合物。所述优选的搅拌摩擦加工工艺参数为：搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛铝基金属间化合物的固相制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：金属粉末的混合按设定目标合金质量比称取Ti和Al金属粉末；步骤2：基材预处理预处理包括对基材外表面的清洗、干燥和喷砂，保证预处理后的母材无明显氧化物、油污残留，能够进行冷喷涂沉积；步骤3：冷喷涂沉积利用冷喷涂技术在铝合金基体上制备钛铝基金属间化合物材料；步骤4：搅拌摩擦加工处理利用搅拌摩擦焊接设备对冷喷涂制备的Ti与Al复合材料进行搅拌摩擦加工后处理，加工过程中控制搅拌摩擦加工参数，获得钛铝金属间化合物。2.根据权利要求1所述的固相制备方法，其特征在于：步骤1中，将Ti、Al单质粉末按照Ti占15～35％，Al占65～85％体积比进行机械混合；所述Ti、Al各元素粉末的粒径为300～800目。3.根据权利要求1所述的固相制备方法，其特征在于：冷喷涂时，工件外表...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐雅欣，李文亚，刘杨，康鹏军，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：