[發明專利](Ti@Al3Ti)p/Al基自生復合材料粉末觸變成形方法

在審

• 申請號: 201510444895.2
• 申請日: 2015-07-27
• 公開（公告）號: CN105112697A
• 公開（公告）日: 2015-12-02
• 發明（設計）人: 陳體軍;王英俊;秦亞紅;閻峰云;馬穎;劉洪軍
• 申請（專利權）人: 蘭州理工大學
• 主分類號: C22C1/04
• 分類號: C22C1/04;C22C21/00
• 代理公司: 蘭州振華專利代理有限責任公司 62102
• 代理人: 董斌

技術領域

本發明涉及金屬基復合材料的制備技術，具體是粉末觸變成形技術制備TiAl₃Ti芯-殼結構粒子增強鋁基自生復合材料的制備方法。

背景技術

Al₃Ti金屬間化合物因其硬度高、高溫力學性能和抗氧化性優異，特別是膨脹系數低、密度小，與Al合金復合不會在界面處產生大的殘余應力，且更能體現質輕的特點，是鋁基復合材料理想的增強體。目前制備Al₃Ti粒子（Al₃Ti_p）增強Al基自生復合材料（Al₃Ti_p/Al）最常用的方法為粉末冶金法，其過程是將Al合金粉末與Ti或TiO₂粉末混合、壓塊、真空干燥后，在低于Al合金固相線溫度無壓或加壓反應燒結。但因該方法反應溫度低（600℃或以下），耗時長（5h以上），不僅能耗大，而且合金元素燒損嚴重，生產效率低，尤為重要的是所得材料因Kirkendall效應產生的孔隙致使組織致密性差，且成形件的尺寸和形狀受限較大。盡管采用微波、等離子體等燒結技術可明顯改善致密性，但仍存在相當比例的孔隙，或者采用后續的再加工，如軋制、攪拌摩擦加工等能獲得組織致密的材料，但增加了成本，且對大尺寸，尤其是復雜形狀零件的難以加工。更為重要的是Al₃Ti脆性大，與其它微米級金屬間化合物或陶瓷粒子增強的Al基復合材料相似，在提高Al合金強度的同時，韌性急劇下降，這是除制造技術外，限制粒子（金屬間化合物、陶瓷）增強金屬基復合材料應用的第二個主要因素。原因是在外力作用下，當增強體/基體界面處的應力達到一定程度時，Al₃Ti_p粒子（Al₃Ti_p）很容易破碎，從而瞬時產生粒子尺寸大小的裂紋，經失穩、擴展后使材料過早斷裂。斷裂理論認為在一定應力下，只有當裂紋的尺寸達到一定長度時才會失穩、擴展。因此，減小粒子尺寸可有效遏制裂紋的擴展，保持材料的韌性。但要獲得小尺寸，比如納米尺寸的Al₃Ti_p勢必先得到Ti納米粉末，而生產Ti納米粉除技術上的困難外，還使制造成本急劇增加。現有研究發現，在反應燒結的過程中，Al₃Ti是逐層向Ti粉內生成，可形成芯部為Ti、外殼為Al₃Ti化合物的芯-殼結構的粒子。可以推斷：當Al₃Ti外殼的厚度達到一定程度時，這種芯-殼結構的粒子對材料的增強作用將與全部為Al₃Ti的粒子接近或相當，但在外力作用下，因破碎形成的裂紋僅限于Al₃Ti殼內，其尺寸大大減小；另外，裂紋的兩端分別與軟的Al基體和Ti芯相連，使裂紋尖端鈍化，從而延緩、阻礙了裂紋的擴展。即TiAl₃Ti芯-殼結構粒子（TiAl₃Ti_p）增強的Al基復合材料（TiAl₃Ti_p/Al）具有比Al₃Ti_p/Al基復合材料更好的力學性能，尤其是更好的韌性。

而于1970's發展起來的觸變成形技術，不僅能大幅度減少、甚至消除縮松、氣孔等孔隙，而且還能成形近凈型的大尺寸、復雜形狀的薄壁件，而近凈型對于難加工的顆粒增強金屬基復合材料尤為重要。另外粉末冶金法所用原材料通常用霧化法獲得，不僅自身尺寸小，而且組織也十分細小，將粉末壓塊部分重熔可得到初生相顆粒細小、圓整的半固態組織，是觸變成形所需的理想組織。如果將粉末冶金技術和觸變成形技術相結合，便可得到一種集制備和成形結構型TiAl₃Ti芯-殼結構粒子（TiAl₃Ti_p）增強的Al基復合材料于一體的新技術――粉末觸變成形：先以粉末冶金法的混粉和壓實步驟得到Al合金粉末和Ti粉末混合均勻的壓塊，然后在真空爐中加熱到Al合金的半固態溫度進行部分重熔，當加熱一定的時間，不僅固態Ti粉與液相中的Al元素反應形成增強體Al₃Ti粒子（Al₃Ti_p），完成了Al₃Ti_p殼層的反應生成，而且也獲得了初生相顆粒細小、圓整、組織致密、少孔隙的觸變成形用非枝晶半固態錠料，待Ti粉表面形成的TiAl₃Ti芯-殼結構粒子且大部分沒有破裂后進行觸變成形。

發明內容