【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及钛铝基复合材料制备，具体涉及高性能原位自生ti5si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法。
技术介绍
1、高温合金作为航空发动机的关键基础材料，现有技术中亟需进一步开发轻质高强的高温合金材料以满足航空装备轻量化的需求。轻质高强的钛铝合金是650～850℃区间内替代镍基高温合金的最佳候选材料，通过添加高熔点、抗氧化性能优异的合金元素，钛铝合金强度明显提升。在650～850℃区间比强度高于镍基高温合金，但钛铝合金在850℃以上温度范围强度急剧下降，限制了其使用温度。复合技术作为钛铝合金性能提升的重要手段，利用tib2、tic、al2o3、b4c和ti2alc等均作为增强相应用于钛铝合金中，通过穿层断裂、界面脱粘、裂纹偏转和纤维拔出等提升了综合性能。
2、通常情况下，增强相大都采用直接添加的方式引入到钛铝合金基体中，例如：公开号为cn202010925825.x的专利技术专利公开了一种新型钛铝基复合材料及其制备方法，利用ti、al、nb、y、caf2、tic、tib2粉末进行热压烧结，形成以ti45al8nb0.5y为基体，7.5wt％tic和3wt％tib2为增强相的钛铝基复合材料，其最大抗弯强度为502mpa。但增强相直接添加进钛铝合金基体中，并通过热压烧结成形，增强相与基体之间的位向关系较为随机，界面强度不够，难以充分发挥其增强效果。
3、采用增强相原位自生的方法能够增强其与基体的界面结合强度，显著提高钛铝合金基体的性能。公开号为cn201911298379.8的专利技术专利公开了一种高强塑积
4、通过合理的元素添加和简单的工艺设计也能够实现钛铝合金基体中增强相的原位自生。公开号为cn202011310311.x的专利技术专利公开了一种强韧化钛铝基复合材料及其制备方法，通过在钛铝合金中添加tic，并采用真空熔炼的方法制备钛铝基复合材料。利用高含量的c元素原位自生析出ti3alc增强体，通过增强体的第二相强化及位错强化作用，阻碍裂纹的形成与扩散，钉扎高温条件下组织中的脆弱界面，显著提高了钛铝基复合材料的高温极限抗拉强度。但该专利技术采用的方法获得的钛铝基复合材料的塑性较差，难以后续加工。因此，钛铝基复合材料制备面临着原位自生增强相设计与试样加工制备的难题。
5、增材制造为钛铝基复合材料制备提供了新的方法，但现阶段主要是采用电子束选区熔化，其加工效率较低，难以满足大规模工业生产；电弧增材制备的钛铝合金极易氧化，且现阶段还停留钛铝二元合金的探索阶段。电子束熔丝增材制造作为高真空、高效率成形方法，在钛铝合金及钛铝基复合材料制备中具有重要应用潜力。而钛铝基复合材料的增材制造存在以下问题：增强相原位自生的成分设计问题、增强相的组织特征和位向关系调控等。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于提供一种高性能原位自生ti5si3相增强钛铝基复合材料的近净成形方法，利用凝固条件设计获得具有特殊位相关系的增强相，提高了增强相与基体的界面结合强度，避免了增强相引入导致的脆性增加，进一步提高钛铝合金基体的高温强度，实现钛铝合金基体在更高温度下服役。
2、本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案为：
3、高性能原位自生ti5si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法，利用电子束双丝增材制造过程ti、al、si元素在熔池中的原位反应，形成ti5si3增强相、ti3al和tial基体；通过凝固过程冷却条件及熔池成分等调控凝固路径，实现初生ti5si3相与共晶ti5si3相的比例变化，并基于共晶反应，形成ti5si3增强相与基体全新位相关系特征；通过工作平台的多轴移动实现逐层沉积，实现具有高性能的原位自生ti5si3相增强钛铝基复合材料近净成形。
4、进一步的，该方法包括前期预热、逐层沉积和试样冷却三个过程，具体步骤为：
5、(1)前期预热：将砂纸打磨、乙醇清洗后的钛合金基板固定在电子束熔丝增材制造系统的工作平台上，并将工作平台置于电子束熔丝增材系统的真空室；待真空度达到工作真空度7×10-2pa时，采用电子束快速扫描的方式进行基板预热，直至钛合金基板出现红热；
6、(2)逐层沉积：将铝丝和钛丝分别置于电子束熔丝增材系统独立的送丝机构，调整送丝枪角度和高度，设定铝丝和钛丝的送丝速度后同时送丝，送进共同熔池中，并依照设定好路径进行沉积，沉积单道后冷却60～80s，并下降工作台一定距离继续进行沉积确保电子束焦点在增材构件表面，直至沉积完成；
7、(3)试样冷却：将原位增材的钛铝金属间化合物构件置于真空环境下冷却，直至冷却至室温；
8、其中，基板预热采用基本参数为：加速电压60kv，聚焦电流1000-1200ma，扫描频率300-600hz，扫描范围300％-600％，扫描方式圆形，扫描速度为20mm/s；预热方式采用阶梯预热，即逐步增加预热束流，从5mm升到25mm，直到基板红热即为预热完成；送丝枪角度调整范围在45°-55°；送丝枪前段丝材与基板距离在1mm以内，使得熔滴能够连续过渡实现成形；增材试样冷却过程需在真空环境下进行采用分段冷却，即在高真空度下冷却2-3小时，在低真空度下保温10-15小时，高真空范围为低于7×10-2pa，低真空范围为0-10pa。
9、进一步的，原位自生ti5si3相增强钛铝基复合材料近净成形过程选用的原材料为erti-1丝材和er4047丝材，直径选用1.0～2.0mm；erti-1丝材成分为c≤0.03wt％，o 0.03～0.10wt％，n≤0.012wt％，h≤0.005wt％，fe≤0.08wt％，ti余量；er4047丝材成分为si12wt％，mn＜0.15wt％，cu＜0.05wt％，ti＜0.15wt％，zn＜0.20wt％，fe＜0.6wt％，al余量。
10、进一步的，高性能钛铝基复合材料的成分为ti-(34～38)at％al-(5.5～9.5)at％si；其中，送丝速度与成分的关系为：
11、
12、
13、其中，ex和ax分别为主要元素的设计质量分数和原子分数；exi(i＝1,2……，n)为丝材中元素的质量分数；si为送丝速度，单位为mm/min；di为丝材直径，单位为mm；ρi为丝材的密度，单位为g/cm3；m本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.高性能原位自生Ti5Si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法，其特征在于，利用电子束双丝增材制造过程Ti、Al、Si元素在熔池中的原位反应，形成Ti5Si3增强相、Ti3Al和TiAl基体；通过凝固过程冷却条件及熔池成分等调控凝固路径，实现初生Ti5Si3相与共晶Ti5Si3相的比例变化，并基于共晶反应，形成Ti5Si3增强相与基体全新位相关系特征；通过工作平台的多轴移动实现逐层沉积，实现具有高性能的原位自生Ti5Si3相增强钛铝基复合材料近净成形。
2.根据权利要求1所述的高性能原位自生Ti5Si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法，其特征在于，该方法包括前期预热、逐层沉积和试样冷却三个过程，具体步骤为：
3.根据权利要求1所述的高性能原位自生Ti5Si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法，其特征在于，原位自生Ti5Si3相增强钛铝基复合材料近净成形过程选用的原材料为ERTi-1丝材和ER4047丝材，直径选用1.0～2.0mm；ERTi-1丝材成分为C≤0.03wt％，O 0.03～0.10wt％，N≤0.012wt％，H≤0.005wt％，Fe≤0.0
4.根据权利要求1所述的高性能原位自生Ti5Si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法，其特征在于，高性能钛铝基复合材料的成分为Ti-(34～38)at％Al-(5.5～9.5)at％Si；其中，送丝速度与成分的关系为：
5.根据权利要求1所述的高性能原位自生Ti5Si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法，其特征在于，高性能钛铝基复合材料包括微米尺度的初生多边形Ti5Si3相、纳米尺度的共晶针状Ti5Si3相及Ti3Al+TiAl的共析片层组织，其中，共晶针状Ti5Si3相与Ti3Al+TiAl的共析片层存在以下特殊的位相关系
6.根据权利要求1所述的高性能原位自生Ti5Si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法，其特征在于，基于钛元素与硅、铝元素均能够发生反应，通过在钛铝硅共晶成分点附近改变铝元素和硅元素的含量配比，初生多边形Ti5Si3相与共晶针状Ti5Si3相的占比，用于调控钛铝基复合材料的力学性能。
7.根据权利要求1所述的高性能原位自生Ti5Si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法，其特征在于，电子束双丝增材获得具有特殊位相关系的Ti5Si3相增强钛铝基复合材料需要增材过程中提供1000K以上的高过热凝固条件，从而获得200K以上的过冷度，在凝固过程中产生L→α+Ti5Si3的共晶反应。
8.根据权利要求7所述的高性能原位自生Ti5Si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法，其特征在于，实现的增材工艺参数为：加速电压60kV，聚焦电流1000-1200mA，扫描频率600-900Hz，扫描范围700％-900％，扫描方式圆形，沉积速度为1mm/s-5mm/s，单层高度为0.75-2mm，电子束束流为25mA-45mA；并通过层间等待时间50～70s实现冷却速度控制在300～500K/s。
...【技术特征摘要】
1.高性能原位自生ti5si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法，其特征在于，利用电子束双丝增材制造过程ti、al、si元素在熔池中的原位反应，形成ti5si3增强相、ti3al和tial基体；通过凝固过程冷却条件及熔池成分等调控凝固路径，实现初生ti5si3相与共晶ti5si3相的比例变化，并基于共晶反应，形成ti5si3增强相与基体全新位相关系特征；通过工作平台的多轴移动实现逐层沉积，实现具有高性能的原位自生ti5si3相增强钛铝基复合材料近净成形。
2.根据权利要求1所述的高性能原位自生ti5si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法，其特征在于，该方法包括前期预热、逐层沉积和试样冷却三个过程，具体步骤为：
3.根据权利要求1所述的高性能原位自生ti5si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法，其特征在于，原位自生ti5si3相增强钛铝基复合材料近净成形过程选用的原材料为erti-1丝材和er4047丝材，直径选用1.0～2.0mm；erti-1丝材成分为c≤0.03wt％，o 0.03～0.10wt％，n≤0.012wt％，h≤0.005wt％，fe≤0.08wt％，ti余量；er4047丝材成分为si12wt％，mn＜0.15wt％，cu＜0.05wt％，ti＜0.15wt％，zn＜0.20wt％，fe＜0.6wt％，al余量。
4.根据权利要求1所述的高性能原位自生ti5si3相增强钛铝基复合材料近净成形方法，其特征在于，高性能钛铝基复合材料的成分为ti-(34～38)at％al-(5.5～9.5)at％si；...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐俊强，周琦，王克鸿，孔见，彭勇，郭顺，杨子威，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。