[發明專利]一種TiAl/α?Al2O3納米復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201410539040.3
• 申請日: 2014-10-13
• 公開（公告）號: CN104388733B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 林均品;張志勇;梁永鋒;張來啟
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;C22C14/00;C22C21/00;C22C32/00;C22C30/00
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明涉及金屬基納米復合材料的制備技術領域，更具體的說是一種以TiAl金屬間化合物為基，以納米α-Al₂O₃為增強相的復合材料制備方法。通過在TiAl合金熔體中加入納米α-Al₂O₃，根據其潤濕性采用適當的電磁攪拌工藝獲得納米顆粒在基體中均勻分散的TiAl基復合材料。

背景技術

TiAl基金屬間化合物因其低密度、高比強度、高比剛度以及優異的高溫抗氧化性能，在航空航天、汽車等高溫結構部件中有較大的應用潛力，并有望替代高密度的鎳基高溫合金進一步提高發動機的機動性，降低溫室氣體排放。金屬基復合材料（MMCs）由于增強相釘扎位錯運動的作用，通常可以顯著提高其室溫力學性能和高溫抗蠕變性能，使MMCs成為了發展新材料的有力手段。

在發展金屬基復合材料的基礎上，進一步減小增強相的尺寸，使之達到100nm以下，因納米相具有一些獨特的性質：如尺寸效應、局域場效應、量子效應和表面效應，使得金屬基納米復合材料（MMNCs）也相應具有獨特的力、熱、電、磁、光性能。對于MMNCs的研究，目前仍處于制備工藝的探索和優化階段，其制備工藝主要分為固態成型和液態成型兩種，固態成型工藝包括：粉末冶金、熱壓燒結、熱等靜壓、原位自生等；液態成型工藝主要包括：快速凝固、半固態機械攪拌、熔體超聲波制備工藝等。MMNCs的固態成型工藝通常可以有效克服基體相與增強相的界面反應，但是由于高能耗并受制于尺寸，其應用研究還需要走很長的路。與之相反，采用液態成型的辦法不僅耗能小，而且可以通過鑄造獲得各種尺寸及復雜形狀的零件。因此采用液態成型的辦法對于發展TiAl基納米復合材料，是一種低成本-短時-短工序的制備方法。然而如何克服納米顆粒在合金液中易于形成團簇和團聚的問題是液態成型制備MMNCs的關鍵。

對于液態成型工藝，主要是納米顆粒在各種力場下在合金熔體中實現均勻分散的過程，因此納米顆粒的性質、納米顆粒與合金熔體的潤濕性、合金熔體的粘度是采用此種工藝的先決條件。其次才是機械攪拌、電磁攪拌以及超聲波等力場的制備工藝的優化。兩者在制備高質量高性能MMNCs中缺一不可。對于機械攪拌的方法，通常被認為很難有效解決納米團聚的問題，因此有研究向合金熔體中添加活性劑的方法來促進納米顆粒與合金熔體的潤濕性；也有研究采用超聲波制備技術，利用超聲波產生的高強度力場促使納米團簇得以有效分散。然而兩種制備工藝均需要將超聲波探頭或機械攪拌葉片探入合金液之內，這必然會給高活性的TiAl熔體造成一定的成分污染，而非接觸式的電磁攪拌方法則更適合于制備以高活性熔體為基體的納米復合材料。

發明內容

本發明的目的是通過在TiAl熔體中加入納米α-Al₂O₃，根據其潤濕性通過適當的電磁攪拌工藝制備出納米α-Al₂O₃在TiAl基體中均勻分散的納米復合材料。本發明解決了納米顆粒因較高比表面能易于在液態金屬中形成大規模團聚和團簇的問題。

為了實現本發明的目的，提出以下技術方案：

一種TiAl/α-Al₂O₃納米復合材料的制備方法，所述TiAl/α-Al₂O₃納米復合材料的制備方法包括納米α-Al₂O₃添加前、中、后分別采取不同的工藝步驟：

步驟1，添加納米α-Al₂O₃之前，按配比稱量納米顆粒，并進行封裝，將TiAl母合金錠放入水冷坩堝內，將封裝好的納米顆粒放入布料斗中，抽真空并充高純氬氣保護；

步驟2，添加納米α-Al₂O₃過程中，首先將升至使母合金完全熔化，然后降功率至使合金液面基本呈平面，加入納米顆粒，待約90%的顆粒卷入合金液后，升功率至直到合金液面不存在漂浮的納米顆粒；

步驟3，待合金液面上不存在漂浮的納米顆粒后之后，提升電磁感應功率，使用電磁攪拌后停功率并隨爐冷卻；將冷卻后的鑄錠翻轉再次放入坩堝，抽真空并充高純氬氣；再次快速提升電磁感應功率并進行電磁攪拌后，停功率隨爐冷卻。