提供一种仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料的制备方法，属于钛铝金属间化合物基复合材料制备技术领域。该方法利用选区激光熔化工艺增材制造三维连续结构的Ti2AlNb增强体骨架，以弱化传统纤维增强复合材料、层叠材料的力学性能各向异性，获得多方向上强度与塑韧性良好匹配；操作更为方便，效率大幅度提高，并能有效控制增强体的体积分数与增强体在基体中的排布，实现了增强体和基体的三维互通。然后通过热压烧结制备出具有优异强度、塑性、韧性组合的仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料，为突破TiAl在航天动力系统热端部件的应用瓶颈提供新途径。新途径。新途径。
【技术实现步骤摘要】
一种仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料的制备方法
[0001]本专利技术属于钛铝金属间化合物基复合材料制备
，具体涉及一种仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料的制备方法，通过选区激光熔化增材制造三维连续结构Ti2AlNb增强体，然后经过真空热压烧结制备出具有高强度、高塑性及高断裂韧性的仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料。
技术介绍
[0002]TiAl基合金具有低密度(约为3.9～4.3g/cm3)、高比模量、高蠕变抗力和优良抗氧化等优异性能，故被认为是在700～800℃范围内取代镍基高温合金的唯一候选材料。当前，由GE公司研发的4822合金(Ti
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48Al
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2Cr
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2Nb,at.％)因其具有优异的力学性能，已经成功应用于GEnx
TM
发动机的低压涡轮叶片。然而，TiAl合金的室温断裂韧性低一直是其发展的最大瓶颈。通过合金化改性的TiAl合金的室温断裂韧性依然普遍低于30MPa
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，室温延伸率有限，服役温度低于700℃，严重限制了TiAl合金在高超音速领域复杂热冲击环境下的应用，因此TiAl合金的复合化增韧增塑受到越来越多的关注。
[0003]研究表明，颗粒、晶须或短纤维等非连续增强TiAl基复合材料因具有低成本、制备工艺简单、易于二次加工、性能各向同性等优点，从而有着广阔的应用前景。但是非连续增强体在基体材料中易团簇，导致应力集中，从而引起材料断裂失效，降低材料韧性(L.Xiang,F.Wang,J.Zhu,et.al.Mechanical properties and microstructure of Al2O3/TiAl in situ composites doped with Cr2O3[J].Materials Science and Engineering A,2011,528(9):3337
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3341)。
[0004]相比于非连续增强体，连续纤维在改善TiAl合金韧性方面具有很大的潜力(Y.Zhou,D.L.Sun,Q.Wang,et.al.Effect of fabrication parameters on the microstructure and mechanical properties of unidirectional Mo
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fiber reinforced TiAl matrix composites[J].Materials Science and Engineering A,2013,575:21
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29)。但是目前已研制的TiAl基复合材料中纤维排布方向性强，导致力学性能各向异性严重、离散度(cv值)高。
[0005]近年来，层叠结构TiAl基复合材料发展较快，实现了单方向材料韧性的大幅提升，但力学性能各向异性愈加凸显，且界面反应分层现象突出(D.H.Li,B.B.Wang,L.S.Luo,et.al.The interface structure and its impact on the mechanical behavior of TiAl/Ti2AlNb laminated composites[J].Materials Science and Engineering A,2021,827:142095)。
[0006]由此可见，虽然复合化设计是大幅改善TiAl合金力学性能的有效途径，但是进一步提高材料的断裂韧性，弱化传统纤维增强复合材料、层叠材料的力学性能各向异性依然是迫切的。因此，有必要设计出一种新型TiAl基复合材料，一方面来提高复合材料的断裂韧性，另一方面实现复合材料多方向上强度和塑韧性的良好匹配。
技术实现思路
[0007]本专利技术解决的技术问题：提供一种仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料的制备方法，本专利技术针对TiAl合金室温断裂韧性低的问题而提出，利用选区激光熔化工艺增材制造三维连续结构的Ti2AlNb增强体骨架，以弱化传统纤维增强复合材料、层叠材料的力学性能各向异性，获得多方向上强度与塑韧性良好匹配。然后通过热压烧结制备出具有优异强度、塑性、韧性组合的仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料，为突破TiAl在航天动力系统热端部件的应用瓶颈提供新途径。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案：
[0009]一种仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料的制备方法，该方法利用选区激光熔化工艺增材制造三维连续结构的Ti2AlNb增强体骨架，以弱化传统纤维增强复合材料、层叠材料的力学性能各向异性，获得多方向上强度与塑韧性良好匹配；然后通过热压烧结制备出具有优异强度、塑性、韧性组合的仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料；
[0010]用于选区激光熔化成形的Ti2AlNb增强体由22～25at.％的Al和20～30at.％的Nb，余量为Ti组成；TiAl基体由45～48at.％的Al、1～3at.％的Cr和2～5at.％的Nb，余量为Ti组成；上述组份均为原子百分比组成；
[0011]制备仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料的方法具体分为两部分：
[0012](一)三维连续结构Ti2AlNb增强体的选区激光熔化制备，具体过程为：
[0013]步骤1：粉末制备及预处理
[0014]根据上述合金成分称量原料，将称量的原料混合均匀后熔炼成母合金铸锭，将得到的母合金铸锭加工成直合金棒材，然后通过等离子旋转电极雾化法制备成Ti2AlNb合金粉末，将粉末干燥后备用；
[0015]步骤2：建立三维模型
[0016]首先，用Unigraphics NX软件构建三维连续结构Ti2AlNb增强体的stl模型文件，然后将其导入Materialise Magics软件中进行切片处理，将确定的三维模型具体参数导入Mlab cusing R设备中；
[0017]步骤3：铺粉及成形缸中气氛处理
[0018]对基板进行喷砂处理；首先向可升降的供粉缸中装填Ti2AlNb合金粉末；然后对设备成形缸抽真空而使成形缸中气氛达到要求；
[0019]步骤4：设置成形工艺参数
[0020]所述选区激光熔化成形工艺参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距和铺粉层厚；
[0021]步骤5：选区激光熔化成形
[0022]设置好成形工艺参数后，每铺完一层粉，激光束根据三维模型的切片数据进行选区熔化；然后成形缸中基板下降一个层厚的高度，刮刀再次进行铺粉，激光重新将新铺的粉末选区熔化，该过程一直重复到试样成形结束；
[0023]待试样冷却后，将试样从基板上面切割下来，超声清洗后干燥备用，完成三维连续结构Ti2AlNb增强体的选区激光熔化制备；
[0024](二)仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料的制备，具体过程为：
[0025]步本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于：该方法利用选区激光熔化工艺增材制造三维连续结构的Ti2AlNb增强体骨架，以弱化传统纤维增强复合材料、层叠材料的力学性能各向异性，获得多方向上强度与塑韧性良好匹配；然后通过热压烧结制备出具有优异强度、塑性、韧性组合的仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料；用于选区激光熔化成形的Ti2AlNb增强体由22～25at.％的Al和20～30at.％的Nb，余量为Ti组成；TiAl基体由45～48at.％的Al、1～3at.％的Cr和2～5at.％的Nb，余量为Ti组成；上述组份均为原子百分比组成；制备仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料的方法具体分为两部分：(一)三维连续结构Ti2AlNb增强体的选区激光熔化制备，具体过程为：步骤1：粉末制备及预处理根据上述合金成分称量原料，将称量的原料混合均匀后熔炼成母合金铸锭，将得到的母合金铸锭加工成直合金棒材，然后通过等离子旋转电极雾化法制备成Ti2AlNb合金粉末，将粉末干燥后备用；步骤2：建立三维模型首先，用Unigraphics NX软件构建三维连续结构Ti2AlNb增强体的stl模型文件，然后将其导入Materialise Magics软件中进行切片处理，将确定的三维模型具体参数导入Mlab cusing R设备中；步骤3：铺粉及成形缸中气氛处理对基板进行喷砂处理；首先向可升降的供粉缸中装填Ti2AlNb合金粉末；然后对设备成形缸抽真空而使成形缸中气氛达到要求；步骤4：设置成形工艺参数选区激光熔化成形工艺参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距和铺粉层厚；步骤5：选区激光熔化成形设置好成形工艺参数后，每铺完一层粉，激光束根据三维模型的切片数据进行选区熔化；然后成形缸中基板下降一个层厚的高度，刮刀再次进行铺粉，激光重新将新铺的粉末选区熔化，该过程一直重复到试样成形结束；待试样冷却后，将试样从基板上面切割下来，超声清洗后干燥备用，完成三维连续结构Ti2AlNb增强体的选区激光熔化制备；(二)仿生互穿Ti2AlNb/TiAl基复合材料的制备，具体过程为：步骤6：复合材料中增强体体积分数的设计基于步骤2三维模型，理论计算得到的增强体体积分数为10～30vol.％；步骤7：粉末装填及冷压将制备得到的三维连续结构Ti2AlNb骨架置于圆柱状石墨模具中，根据增强相的体积分数计算出填满三维连续结构间隙所需要TiAl粉末的体积，然后利用m＝ρ
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(πr2×
h
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V
r
)公式即可计算出热压烧结所需TiAl粉末的质量，将称量好的TiAl粉末装填至模具中，对其进行冷压，制得仿生互穿Ti2AlNb/TiAl粉体压坯；步骤8：热压烧结过程将仿生互穿Ti2AlNb/TiAl压坯在1050～1250℃、45MPa压力下真空烧结1h；热压烧结过程结束后，样品随炉冷却降至室温，即可制备...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡锐，邹航，周咪，李劲光，刘鑫鑫，高子彤，黄启亮，罗贤，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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