[發明專利]一種改善鈦鋁層狀復合材料組織和提高力學性能的方法

有效

• 申請號: 201710725348.0
• 申請日: 2017-08-22
• 公開（公告）號: CN107513674B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 姜風春;韓雨薔;藺春發;果春煥;常云鵬;牛中毅;王振強
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: C22C47/02
• 分類號: C22C47/02;C22C47/20;C22C49/11;C22C49/06;C22C49/14;C22C101/14;C22C111/00
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本發明提供的是一種改善鈦鋁層狀復合材料組織和提高力學性能的方法。對鎢芯SiC陶瓷纖維進行預處理，對NiTi合金絲、Ti箔、Al箔進行超聲波清洗，按照“Ti箔?鎢芯SiC陶瓷纖維與NiTi合金絲?Al箔?Ti箔”為一個單元疊放，每2根NiTi合金絲之間放置4根SiC纖維，間距1mm，上下表面均為Ti層，利用真空熱壓裝置對其進行燒結。本發明利用NiTi絲中鎳和鈦元素易與鋁元素在低溫下發生反應，形成金屬間化合物的設計原理，通過真空熱壓燒結法將SiC纖維和NiTi合金絲同時引入到金屬間化合物層中，其中SiC纖維作為增強體，而NiTi合金絲的引入是為了利用其與Al的充分擴散反應機理來消除金屬間化合物層中心線，進而改善SiC纖維/基體界面，從而提高復合材料的力學性能。

技術領域

本發明涉及的是一種復合材料的制備方法，具體地說是一種鈦鋁層狀復合材料的改性方法。

背景技術

近年來，一種新型的輕質高性能空天結構材料——金屬間化合物層狀復合材料引起了人們的廣泛關注。人們利用不同的制備技術，已成功制備出Ti-Al、Ni-Al、Nb-Al及Ti-Cu等金屬間化合物層狀復合材料體系，其中，Ti-Al系金屬間化合物層狀復合材料由于其優異的物理及力學性能，使得其在航空、航天等尖端行業有重大的發展前景。其中，最具代表性的是以金屬間化合物Al₃Ti為基體，由高強度鈦合金(Ti-6Al-4V)增強的Ti/Al₃Ti層狀復合材料(metal-intermetallic-laminate，簡稱MIL)。與其他Ti-Al系金屬間化合物(如TiAl,Ti₃Al等)相比，Al₃Ti的密度最小、比強度最高、高溫抗氧化性能最好而特別引人注目。90年代中期，金屬間化合物層狀復合材料Ti/Al₃Ti是由美國奧爾巴尼研究中心(AlbanyResearch Center)的研究人員采用真空燒結的方法開發研究出來。本世紀初加州大學圣迭戈分校(University of California,San Diego)又開發了具有自主產權的無真空燒結制備MIL復合材料專利技術，從而使MIL復合材料實現了低成本、商用化。Vecchio等人利用該技術成功制備出Ti/Al₃Ti金屬間化合物層狀復合材料，研究表明Ti/Al₃Ti層狀復合材料具有優異的性能，在金屬/金屬間化合物層狀復合材料體系中最具發展前景。但由于Al₃Ti室溫塑性、韌性太低，使得該類鈦鋁層狀復合材料在實際應用上受到了限制。

為了進一步提高鈦鋁金屬間化合物的室溫塑性和高溫性能，復合材料的強韌化機制被引入該領域，高強度連續纖維被引入到金屬間化合物基體中。美國航空航天局路易斯研究中心(NASA Lewis Research Center)的工作表明：在一個相對比較弱的基體內用40vol.％高強纖維增強的復合材料，在高溫蠕變試驗中基體僅承擔約3％的載荷。由此可見，該種復合思想對改善鈦鋁金屬間化合物室溫塑性和高溫性能具有重要的意義，同時對減輕形狀復雜的發動機高溫部件的重量有更大的潛力。Bouix和Petitcorps等人研究發現，向Ti-Al金屬間化合物中引入SiC纖維后，該金屬間化合物的韌性得到了一定的改善；汪等人利用金屬箔冶金反應方法成功的將NiTi合金絲引入到了Ti/Al₃Ti層狀復合材料中，研究表明該類新型的結構與功能復合材料由于NiTi合金絲的加入獲得了較優異的力學性能和阻尼性能。近期，一種新型的Al₂O₃纖維增強Ti/Al₃Ti層狀復合材料利用真空熱壓燒結法制備出來，使鈦鋁層狀復合材料的抗拉強度和韌性都得到了顯著提高。但是，鈦鋁層狀復合材料引入纖維前后，其金屬間化合物層都存在明顯的中心線。研究發現，鈦鋁金屬間化合物在Ti/Al界面逐漸形核長大，反應界面由鈦層前端逐漸向前推進，當遇到由相鄰鈦層前端推進而來的反應界面時，原本聚集在反應界面的氧化物或雜質便形成了中心線。當材料發生失效時，裂紋首先在金屬間化合物層中心線處萌生并擴展，對復合材料的性能造成嚴重的影響，尤其是對平行方向壓縮強度的影響最大。因此，消除鈦鋁層狀復合材料中心線，改善其顯微組織并提高其性能成為研究的熱點與重點。