專利名稱：一種鈦鋁化合物基復合材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及材料科學，特別提供了 一種鈦鋁化合物基復合材料的制備方法。
背景技術：
現(xiàn)有技術中，近幾年在人們對SiC纖維(CVD)等增強金屬基復合材料的基體的相關研究中，TiAl金屬間化合物由于優(yōu)越的高溫性能而受到了廣泛重視。
與Ti合金相比，SiC纖維(CVD)等增強金屬基復合材料的密度更低，高溫強度更高，并且具有優(yōu)良的抗氧化性。這些特性使它能夠更好的滿足在高溫下工作的需求。Ti合金基復合材料的工作溫度在600°C以下，而TiAl化合物基的可將其提升到70(TC以上，這將極大的提升飛機發(fā)動機等的設計空間。但TiAl基合金的室溫塑性很低，屬于極難塑性加工材料。通常，在700'C以下溫度范圍內，它的塑性很差，其伸長率一般僅有2% 3%，無法進行塑性加工。在大于IIO(TC高溫下，雖然它的塑性有所改善，但變形抗力仍然很大，其流動應力一般高達200MPa，且要求變形時保持相當?shù)偷膽兯俾?lxlO力/s),因而對其進行塑性加工成形的難度亦非常大，。因此，在使用真空擴散結合法制備SiC纖維增強TiAl化合物基復合材料時，需要很高的溫度和壓力，這使纖維與基體的界面反應程度增加，產生脆性相，同時也增加了纖維的損傷，造成復合材料性能降低。另一方面，TiAl化合
4物與SiC纖維之間熱膨脹系數(shù)相差較大，在復合材料冷卻過程中，由于基
體塑性變形能力差，不能通過自身的塑性變形或流動及時釋放熱殘余應力，
導致在界面附近基體內拉應力過高,誘發(fā)橫、縱向裂紋產生；具體參見參考文獻1: J.F. Farraro and N. S. Stoloff， Intermetallics,, 1994， 2(2): 95-101;參考文獻2: Sarala Djanarthany, Jean-Claude Viala， Jean Bouix, Mater. Sci. Eng. A，2001, 300: 211-218;參考文獻3: A. Brunet， R. Valle， A.Vassel, Acta mater.，2000,48:4763-4774。
人們希望獲得一種技術效果更好的金屬間化合物基復合材料的制備方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種技術效果更好的鈦鋁化合物基復合材料的制備方法。
本發(fā)明提供了一種SiC纖維增強鈦鋁化合物基復合材料的制備方法，其特征在于所述鈦鋁化合物基復合材料的制備方法是；首先將單質Ti層和/或單質Al層交替沉積在增強體材料外部表面上，然后在一定溫度下進行真空壓制，擴散結合形成復合材料。
本發(fā)明所述鈦鋁化合物基復合材料的制備方法，其特征在于所述鈦鋁化合物基復合材料所使用的原料中單質Ti層和單質Al層的質量相對比例關系為1: 3 3: 1;單質Ti層和單質Al層的層厚范圍分別是0.5 2拜;
在增強纖維外部的單質Ti層和/或單質Al層分層依此分別制備，優(yōu)選方案中最內層為單質Ti層，最外層為單質Al層。所述鈦鋁化合物基復合材料的制備方法是將制備鈦鋁化合物基復合材料所用的原料單質Ti層和單質Al層沉積到SiC纖維上，然后在500 70(TC溫度條件下采用真空熱壓或熱等靜壓進行壓制成型，擴散結合形成復合材料；壓制時間是1 3小時，壓力大小為50 150MPa;
然后在繼續(xù)施壓或撤除外施壓力的條件下進行高溫均勻化處理，高溫均勻化處理的溫度條件是700 900°C，高溫均勻化處理的時間范圍是0.5 4小時。
在所述增強體材料上分層制備單質Ti層或/和單質A1層所采用的具體制備方法優(yōu)選是物理氣相沉積法。具體要求取決于該元素與SiC纖維表面涂層之間的反應，以反應程度較弱的元素為內層，以變形及粘合能力較好的A1為外層。
本發(fā)明的一個優(yōu)選內容是，依次采用下述方案制備鈦鋁化合物基復合材料是
復合材料的制備過程具體分為以下過程增強體外部單質Ti層和/或單質A1層制備、制作纖維預制帶、除膠、熱壓成型、高溫均勻化和冷卻；
首先在增強纖維上應用物理氣相沉積法分層制備單質Ti層和單質Al層；制備成Ti、 Al膜多次疊加的SiC復合絲；具體而言，復合絲使用對耙磁控濺射儀制備，首先使用繞線機組將SiC纖維以一定間距平行纏繞在特制轉輪架上，裝入磁控濺射儀真空腔內，腔內兩對耙分別安裝純Ti和純Al，分時間段在SiC纖維表面濺射Ti膜和Al膜，其中最內層為Ti，最外層為
Al;
濺射完畢后，使用真空擴散結合工藝制備復合材料首先在繞絲機組上將制得的多層復合絲緊密排列在圓柱形滾筒上，用膠黏液固定并干燥，制成纖維預制帶，將預制帶裁切成與熱壓模具同等大小，層疊裝入純Ti箔制成的包套中，在真空熱壓爐中除膠并熱壓成型；
所述鈦鋁化合物基復合材料的制備采用真空擴散結合工藝具體為真空熱壓或熱等靜壓或準等靜壓；
除膠和熱壓成型的具體要求是首先在390土50'C保溫1 3小時，除去預制帶表面的膠粘液；隨后在500 70(TC溫度條件下進行熱壓成型，熱壓成型后在保溫以便促使鍍層擴散反應完全進行，成分均勻化，具體參數(shù)要求是640土5(TC/80士30MPa/2土lh;最后控制冷卻速度冷卻到450°C，冷卻速度控制在1.5±0.5'C/min。
本發(fā)明所述的TiAl化合物基復合材料的制備方法，我們也將其稱之為元素鍍層法，通常的工作方案中，首先將若干層Ti、 Al元素按照一定的比例交替制備到長纖維表面，制成多層Ti、 Al元素復合絲，使用基體涂層纖維法在真空爐中進行熱壓成型，由于純Ti與純Al比Ti-Al金屬間化合物的塑性要好的多，因此可以采用比Ti一Al化合物低的多的熱壓溫度壓制成形。在壓力的作用下，鍍層產生塑性變形，填充纖維之間的多邊形空隙，并利用最外層純Al良好的塑性與擴散能力最終相互粘合?？紤]到Al熔化后會與Ti發(fā)生劇烈反應生成脆性化合物，變形抗力增大，因此將熱壓溫度限制在Al熔點以下進行熱壓。熱壓成型后在Al熔點以上保溫促使鍍層擴散反應完全進行，成分均勻化。采用這種方法降低了 TiAl基復合材料的制備溫度，減少了基體中由于熱殘余應力導致的裂紋，并且界面反應受到控制，有望提高TiAl基復合材料的力學性能。
本發(fā)明的優(yōu)點可以有效的降低Ti-Al化合物基復合材料的制備溫度，明顯減少了基體在冷卻過程中由于熱脹系數(shù)的差異而導致的熱應力裂紋，并且基體與纖維之間的界面反應得到很好的控制。本發(fā)明具有可預見的很大的經濟和社會價值。


下面結合附圖及實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明
圖1為Ti-Al元素復合絲橫截面整體形貌圖2為Ti-Al元素復合絲橫截面局部形貌；圖3為Ti-Al元素鍍層復合絲法制備復合材料最佳工藝示意圖；圖4為640。C/80MPa/2h+800。C/0MPa/2h，冷速1.5°C/min的復合材料橫截面整體形貌；
圖5為64(TC/80MPa/2h+80(TC/0MPa/2h,冷速1.5°C/min的復合材料橫
截面局部形貌；
圖6為復合材料界面形貌及線掃描曲線圖7為熱處理之前Ti-Al元素復合絲成分XRD衍射峰；
圖8為經640°C/80MPa/2h+800°C/0MPa/2h熱處理后Ti-Al元素復合絲
成分XRD衍射峰。
具體實施例方式
實施例1
使用磁控濺射法在SiC纖維上交替濺射厚度約為l^m的Ti膜和Al膜， 制備成Ti、 Al膜多次疊加的SiC復合絲，如圖1、 2所示。
復合材料制備分復合絲的制備和板材壓制兩部分。復合絲使用雙對靶 磁控濺射儀制備，首先使用繞線機組將SiC纖維以一定間距平行纏繞在特 制轉輪架上，再將轉輪裝入磁控濺射儀真空腔內，腔內兩對靶分別安裝純 Ti和純Al,分時間段在SiC纖維表面濺射Ti膜和Al膜，其中最內層為Ti， 最外層為Al，這樣既可以避免Al與C涂層在熱壓時界面反應生成針狀或 片狀A14C3，又可以利用Al良好的高溫變形與擴散能力促進復合絲之間的 結合。纖維體積百分比及Ti、 Al原子百分比可通過改變?yōu)R射時間來控制。 本實施例中Ti、 Al體積比為l: 1。
濺射完畢后，使用基體涂層纖維法(Matrix Coating fiber,簡稱MCF) 制備復合材料。首先在繞絲機組上將制得的多層復合絲緊密排列在圓柱形 滾筒上，用膠黏液固定并干燥，制成纖維預制帶，將預制帶裁切成與熱壓 模具同等大小，層疊裝入純Ti箔制成的包套中，在真空熱壓爐中除膠并熱壓 成型。
復合材料的制備分除膠、熱壓成型、高溫均勻化和冷卻四個階段，經過 一系列試驗，將最佳制備參數(shù)確定在390°C/2h+640°C/80MPa/2h+ 80(TC/0MPa/2h，冷卻速度控制在1.5 'C/min，如圖2所示。關于復合材料形貌圖4、 5為最佳工藝條件下制得的復合材料橫截面。 可看出復合材料整體成型良好，纖維排布基本呈規(guī)則的六角形，基體之間 裂紋很少。從復合材料的局部放大圖可看出，80(TC熱處理2小時后，鍍層 之間的界面基本消失，形成了均質基體。
從圖6中可看出，雖然復合材料經過了長時間的熱壓與擴散，但由于整 體溫度較低，C涂層仍然保持完好，界面清晰光滑，沒有生成明顯的反應層 或反應物。但從線掃描曲線的趨勢可以看出，C、 Si元素有向基體中擴散的 跡象，而一部分Ti也擴散到了C涂層中，A油于受到了Ti層的阻礙而沒有到 達C涂層內部。
將復合絲裝入充氬的石英管中通過熱處理的方式模擬鍍層中的反應， 用XRD分析了復合絲表面鍍層的成分，在處理前的復合絲表面圖譜中主要 為Ti、 Al的衍射峰及少量TiAl3的峰，復合絲經過390。C/2h+640。C/80MPa/2h +800°(:/0]^3/211,熱處理后，只有TiAl峰，TiAl3峰基本消失，可知在該工藝 條件下基體可以完全反應生成均質化合物。
本實施例可以使用磁控濺射法在SiC纖維上交替濺射厚度約為lnm的 Ti膜和Al膜，制備成Ti、 Al膜多次疊加的SiC復合絲，利用純Ti和純Al 良好的塑性，將復合絲在A1的熔點以下壓制成板狀樣品，并利用鍍層間距 小，元素擴散路程短的特點，在較低溫度下保溫較短時間，使基體均勻化， 最終制備出成分均勻的SiC纖維增強Ti-Al化合物基復合材料，
實施例2:使用磁控濺射法在SiC纖維上交替濺射厚度約為2pm的Ti膜和A1膜，制備成Ti、 Al膜多次疊加的SiC復合絲，封入包套中抽真空，
使用基體涂層纖維法在熱等靜壓爐中熱壓成型，具體工藝為 600°C/100MPa/2h,取出后80(TC熱處理4小時。 本實施例的其他技術細節(jié)參照實施例1內容。
實施例3:使用磁控濺射法在SiC纖維上交替濺射厚度約為l拜的Ti 膜和3,的Al膜，使用基體涂層纖維法使用準等靜壓熱壓成型，制備TiAl3 具體工藝為600°C/80MPa/2h，+800°C/80MPa/4h。
本實施例中Ti、 Al體積比為1: 3。本實施例的其他技術細節(jié)參照實施 例1內容。
實施例4
本實施例中Ti、 Al體積比為3: 1。本實施例的其他技術細節(jié)參照實施 例4內容。
權利要求
1、一種鈦鋁化合物基復合材料的制備方法，其特征在于所述鈦鋁化合物基復合材料的制備方法是；首先將單質Ti層和/或單質Al層交替沉積在增強體材料外部表面上，然后在一定溫度下進行真空壓制，擴散結合形成復合材料；所述增強體材料為SiC纖維材料。
2、 按照權利要求2所述鈦鋁化合物基復合材料的制備方法，其特征在 于:所述鈦鋁化合物基復合材料所使用的原料中單質Ti層和單質Al層的質 量相對比例關系為1: 3 3: 1;單質Ti層和單質Al層的單層層厚范圍分別是0.5 2Mm;在增強纖維外部的單質Ti層和/或單質Al層分層依此 分別制備，其中最內層為單質Ti層，最外層為單質Al層。
3、 按照權利要求1所述鈦鋁化合物基復合材料的制備方法，其特征在 于所述鈦鋁化合物基復合材料的制備方法中，將制備鈦鋁化合物基復合 材料所用的原料單質Ti層和單質Al層沉積在SiC纖維上之后，在500 700'C溫度條件下采用真空熱壓或熱等靜壓進行壓制成型，擴散結合形成復 合材料；壓制時間是1 3小時，壓力大小為50MPa 150MPa;然后在繼續(xù)施壓或撤除外施壓力的條件下進行高溫均勻化處理，高溫 均勻化處理的溫度條件是700 卯0。C，高溫均勻化處理的時間范圍是0.5 4小時。
4、 按照權利要求3所述鈦鋁化合物基復合材料的制備方法，其特征在 于所述鈦鋁化合物基復合材料的制備方法中，在增強纖維上首先分層制 備單質Ti層或/和單質Al層的具體方法是物理氣相沉積法。
5、按照權利要求4所述鈦鋁化合物基復合材料的制備方法，其特征在于復合材料的制備過程具體分為以下過程增強體外部單質Ti層和/或 單質A1層制備、制作纖維預制帶、除膠、熱壓成型、高溫均勻化和冷卻；首先在增強纖維上應用物理氣相沉積法分層制備單質Ti層和單質Al 層；制備成Ti、 Al膜多次疊加的SiC復合絲；具體而言，復合絲使用對靶 磁控濺射儀制備，首先使用繞線機組將SiC纖維以一定間距平行纏繞在特 制轉輪架上，裝入磁控濺射儀真空腔內，腔內兩對靶分別安裝純Ti和純Al， 分時間段在SiC纖維表面濺射Ti膜和Al膜，其中最內層為Ti,最外層為 Al;濺射完畢后，使用真空擴散結合工藝制備復合材料首先在繞絲機組 上將制得的多層復合絲緊密排列在圓柱形滾筒上，用膠黏液固定并干燥， 制成纖維預制帶，將預制帶裁切成與熱壓模具同等大小，層疊裝入純Ti箔制 成的包套中，在真空熱壓爐中除膠并熱壓成型；所述鈦鋁化合物基復合材料的制備采用真空擴散結合工藝具體為真 空熱壓或熱等靜壓或準等靜壓；除膠和熱壓成型的具體要求是首先在390士50'C保溫1 3小時，除 去預制帶表面的膠粘液；隨后在500 70(TC溫度條件下進行熱壓成型，熱 壓成型后在保溫以便促使鍍層擴散反應完全進行，成分均勻化，具體參數(shù) 要求是640士5(TC/80土30MPa/2士lh;最后控制冷卻速度冷卻到450°C，冷 卻速度控制在1.5±0.5'C/min。
全文摘要
一種鈦鋁化合物基復合材料的制備方法，其特征在于所述鈦鋁化合物基復合材料的制備方法是；首先將單質Ti層和單質Al層交替沉積在SiC纖維外部表面上，然后在一定溫度下采用真空熱壓或熱等靜壓進行壓制，擴散結合形成復合材料。本發(fā)明可以有效的降低Ti-Al化合物基復合材料的制備溫度，明顯減少了基體在冷卻過程中由于熱脹系數(shù)的差異而導致的熱應力裂紋，并且基體與纖維之間的界面反應得到很好的控制。本發(fā)明具有可預見的很大的經濟和社會價值。
文檔編號C23C14/18GK101469400SQ20071015923
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權日2007年12月27日
發(fā)明者鸰 冀, 銳 楊, 王玉敏, 石南林 申請人:中國科學院金屬研究所