【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种内外“双层”耦合增强tial基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料的先进制备。
技术介绍
1、高性能结构材料轻量化是提高航空航天发动机性能、延长其寿命、降低能耗和成本的关键，直接决定了航空航天工业未来的可持续发展。tial基复合材料具有低密度、高比强度、优异的抗氧化性能和抗蠕变性能等优点，同时其密度约为镍基高温合金的二分之一，是替代镍基高温合金实现航空航天发动机大规模减重的首要候选材料。镍基高温合金的常规服役温度多在1000℃以上，但是目前tial基复合材料900℃及以上的高温强度已难以满足航空航天工业对高温结构材料的性能要求。因此，实现tial基复合材料高温强度和塑性水平的显著提升，对于推动其在航空航天领域的广泛应用至关重要。
2、为了改善tial基复合材料的力学性能，国内外学者将准连续网状增强结构引入tial基复合材料，并将材料组织划分为基体单元及其界面层准连续网状增强结构，对其进行了大量研究。然而，研究发现，仅通过界面层准连续网状增强结构虽然能够有效改善tial基复合材料的塑性，但是其提高材料高温极限强度能力有限，因此，有必要对材料基体单元及其界面层准连续网状增强结构进行协同优化设计。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种内外“双层”耦合增强tial基复合材料的制备方法，即通过碳化物的原位自生，在基体单元内部引入弥散增强结构(“内层”结构)；利用硼化物和碳化物的原位自生，在基体单元界面层构建准连续网状增强结构(“外层”结构)，并通过
2、(1)按照原子百分比分别称取高纯海绵钛、高纯铝、高纯铌、高纯碳颗粒，然后在真空度0.01～0.05pa或150mbar的氩气气氛环境保护下，利用真空感应熔炼炉制备获得尺寸为φ55mm×(260～280)mm的tial合金铸锭，并利用机械加工去除铸锭表面氧化皮、油污和杂质等，获得尺寸为φ50mm×(250～270)mm的tial合金棒料；最后，以tial合金棒料作为电极材料放入等离子旋转物化制粉设备的旋转装夹上，在氩气气氛保护环境下，调整转速为15000～21000rpm，电流为1100～1500a，熔化速度为1.5～3.0mm·s-1，制取c增强的tial球形粉末。
3、(2)分别称取高纯b4c粉、碳粉和步骤(1)中的球形tial基复合粉末为原料，将称取完成的球形tial基复合粉末、高纯b4c粉和高纯碳粉放进球磨罐中；按5:1～2:1的球料比称取不锈钢球磨珠与tial粉和b4c粉一起放入球磨罐中；用锁紧装置将球磨罐锁紧后用真空泵对球磨罐进行抽真空，球磨罐的气压至10-2mpa时停止抽真空，然后向球磨罐中冲入氩气直至球磨罐的气压为大气压时停止充氩气；将球磨罐放入球磨机中，在球磨转速100～300rpm下进行1～10h的低能球磨。需要说明的是，所述步骤(3)高纯b4c粉和高纯碳粉在球形tial基复合粉末上裹敷的均匀程度，直接决定了外层准连续网状增强结构中硼化物和碳化物增强体的分布，以及tial基体单元的完整性和连通性，进而影响tial复合材料的综合力学性能。
4、(3)将步骤(2)中球磨好混合粉末放入石墨模具中，将模具放入放电等离子烧结炉中，在40～60mpa的压力下进行放电等离子烧结，在1150～1300℃下保温5～30min后进行随炉冷却至室温，开炉后取出模具得到tial基复合材料。需要说明的是，所述步骤(4)中烧结温度和烧结时间直接决定了内外“双层”耦合增强结构中硼化物和碳化物的种类和形貌，进而影响tial复合材料的力学性能。
5、优选的，本专利技术步骤(1)中制备tial合金铸锭的原材料规格分别为，海绵钛的粒径≤3mm，纯度≥99.9wt.％；铝粉的粒径6～10mm，纯度≥99.99wt.％；铌粉的粒径2～4mm，纯度≥99.95wt.％；碳颗粒的粒径≤0.5mm，纯度≥99.9wt.％。
6、本专利技术步骤(1)中c增强的tial球形粉末按原子百分比计，各组分的含量为40～50％的al，2～10％的nb，0～1％的c，和余量的ti，且c含量不为0％。
7、作为本专利技术的进一步优选，本专利技术步骤(1)中c增强的tial球形粉末按原子百分比计，各组分的含量为43％的al，6％的nb，c含量为0.5～1％，和余量的ti。
8、优选的，本专利技术所述等离子旋转物化制粉的条件为：在氩气气氛保护环境下，调整转速为15000～21000rpm，电流为1100～1500a，熔化速度为1.5～3.0mm·s-1，，氩气正压0.05mpa。
9、本专利技术步骤(2)中球形tial基复合粉末的粒径优选为：<75μm、75～112μm、112～150μm、150～250μm和>250μm几个等级，tial粉末粒径直接决定烧结态组织中tial基体单元即准连续网状增强结构的直径，粉末粒径越大，最终得到的准连续网状结构直径越大；实际生产中可以通过调整等离子旋转电极雾化工艺参数来控制不同粒径分布范围内粉末的比例；根据粉末粒径选取，也可以按照需求调控双层增强结构组织；b4c粉粒径≤10μm，碳粉≤10μm。
10、本专利技术步步骤(2)中各原料及其质量百分比含量为：0～10％的b4c粉、0～10％的碳粉和余量的c增强的球形tial基复合粉末，且b4c粉和碳粉的含量不能同时为0。
11、作为本专利技术的进一步优选，本专利技术步骤(2)中各原料及其质量百分比含量为：0.1～1.0％的b4c粉和余量的c增强的球形tial基复合粉末。
12、进一步的，本专利技术步骤(2)中高纯b4c粉、高纯碳粉和tial基复合粉末的重量百分比，决定了tial基复合材料的外层准连续网状增强结构中硼化物和碳化物增强体的含量和比例；所述步骤(2)中称取的球形tial基复合粉末中c元素含量，决定了tial基复合材料基体单元内层增强结构中弥散碳化物的含量。
13、需要说明的是，通过调整所述步骤(1)中球形tial基复合粉末的c元素含量，以及所述步骤(2)中称取高纯b4c粉、高纯碳粉和球形tial基复合粉末的重量百分比，能够调控内外层增强结构中增强体比例，调控外层准连续网状增强结构中硼化物和碳化物增强体比例，进而控制tial复合材料中硼化物和碳化物增强体的总体含量和比例，最终实现tial复合材料力学性能的优化调控。
14、需要说明的是，通过调整所述s2中称取的球形tial基复合粉末粒径，可以控制外层准连续网状增强结构尺寸、形貌和分布，进而实现tial复合材料力学性能的优化调控。
15、本专利技术的另一目的在于提供所述内外“双层”耦合增强tial基复合材料，包括内层增强结构和外层增强结构，内层增强结构由弥散分布在tial基体单元中的原位自生碳化物构成，外层增强结构由硼化物和碳化物混合形成的准连续网状增强结构构成。
16、进一步本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种内外“双层”耦合增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述内外“双层”耦合增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中制备TiAl合金铸锭的原材料规格分别为，海绵钛的粒径≤3mm，纯度≥99.9wt.％；铝粉的粒径6～10mm，纯度≥99.99wt.％；铌粉的粒径2～4mm，纯度≥99.95wt.％；碳颗粒的粒径≤0.5mm，纯度≥99.9wt.％。
3.根据权利要求1所述内外“双层”耦合增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中C增强的TiAl球形粉末按原子百分比计，各组分的含量为40～50％的Al，2～10％的Nb，0～1％的C，和余量的Ti，且C含量不为0％。
4.根据权利要求3所述内外“双层”耦合增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中C增强的TiAl球形粉末按原子百分比计，各组分的含量为43％的Al，6％的Nb，C含量为0.5～1％，和余量的Ti。
5.根据权利要求1所述内外“双层”耦合增强TiAl基复合材料的制备方法，其
6.根据权利要求1所述内外“双层”耦合增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中球形TiAl基复合粉末的粒径分布分别为<75μm、75～112μm、112～150μm、150～250μm和>250μm几个等级，B4C粉粒径≤10μm，碳粉≤10μm。
7.根据权利要求1所述内外“双层”耦合增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中各原料及其质量百分比含量为：0～10％的B4C粉、0～10％的碳粉和余量的C增强的球形TiAl基复合粉末，且B4C粉和碳粉的含量不能同时为0。
8.根据权利要求7所述内外“双层”耦合增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中各原料及其质量百分比含量为：0.1～1.0％的B4C粉和余量的C增强的球形TiAl基复合粉末。
9.根据权利要求1所述的内外“双层”耦合增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中低能球磨转速为100～300rpm，球料比为5:1～2:1，球磨时间为1～10h。
10.权利要求1～9任意一项所述方法制备得到的内外“双层”耦合增强TiAl基复合材料，其特征在于：包括内层增强结构和外层增强结构，内层增强结构由弥散分布在TiAl基体单元中的原位自生碳化物构成，外层增强结构由硼化物和碳化物混合形成的准连续网状增强结构构成。
...【技术特征摘要】
1.一种内外“双层”耦合增强tial基复合材料的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述内外“双层”耦合增强tial基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中制备tial合金铸锭的原材料规格分别为，海绵钛的粒径≤3mm，纯度≥99.9wt.％；铝粉的粒径6～10mm，纯度≥99.99wt.％；铌粉的粒径2～4mm，纯度≥99.95wt.％；碳颗粒的粒径≤0.5mm，纯度≥99.9wt.％。
3.根据权利要求1所述内外“双层”耦合增强tial基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中c增强的tial球形粉末按原子百分比计，各组分的含量为40～50％的al，2～10％的nb，0～1％的c，和余量的ti，且c含量不为0％。
4.根据权利要求3所述内外“双层”耦合增强tial基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中c增强的tial球形粉末按原子百分比计，各组分的含量为43％的al，6％的nb，c含量为0.5～1％，和余量的ti。
5.根据权利要求1所述内外“双层”耦合增强tial基复合材料的制备方法，其特征在于：等离子旋转物化制粉的条件为：在氩气气氛保护环境下，调整转速为15000～21000rpm，电流为1100～1500a，熔化速度为1.5～3.0mm·s-1，，氩气正压0.05mpa。
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