專利名稱：一種NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種疊層結(jié)構(gòu)高溫NbTiAl系金屬間化合物復合材料，屬于金屬間化合物基復合材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬間化合物具有長程有序的結(jié)構(gòu)特性、良好的高溫強度和抗氧化性、高比強度、高熔點、高導熱率、低熱脹系數(shù)，是一種理想的、有良好潛在應用價值的高溫結(jié)構(gòu)材料。但金屬間化合物的滑移系不足、滑移矢量大、交滑移受限、晶界滑移困難及晶界氫脆等結(jié)構(gòu)特征導致其很大的室溫脆性、高的脆韌轉(zhuǎn)變溫度及很差的加工成形特性，使其難有實際應用。研究開發(fā)室溫韌性、高溫強度/抗蠕變綜合性能良好的金屬間化合物材料是其發(fā)展趨勢。
金屬間化合物韌性化的主要方法有元素合金化和復合技術(shù)。元素合金化主要通過添加微量元素來提高晶界結(jié)合強度、抑制多晶脆性晶間斷裂，借助微觀組織的優(yōu)化來提高室溫韌性。復合增韌主要通過纖維、顆粒、層疊等結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提高韌性。專利200310115547.8提出了一種激光合成制備金屬間化合物及顆粒增強復合材料的新方法。相對于纖維、顆粒等增韌方式，層疊結(jié)構(gòu)能起到更加有效的復合增韌效果。層疊結(jié)構(gòu)材料是將兩種不同材料按一定的層間距及層厚比例交互重疊形成的多層材料，獨特的層疊結(jié)構(gòu)可以使一些硬脆材料克服單體時的脆性，具備優(yōu)越的抗斷裂、抗沖擊性能，在保持高強度、高抗氧化性的同時，有可能大幅度提高材料的韌性和可靠性。
現(xiàn)有文獻報道的幾種層疊結(jié)構(gòu)金屬間化合物材料是由磁控濺射、氣相沉積、薄板自蔓延熱壓成形或等離子體粉末燒結(jié)等方法制備。這些疊層金屬間化合物材料的共同特征是疊層之間為非冶金結(jié)合、層間結(jié)合強度較弱，疊層厚度和層厚比難以靈活變化，因而這些疊層金屬間化合物材料的室溫屈服強度和斷裂韌度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料及其制備方法，即制備一種層間結(jié)合強度很高，具有良好的室溫強韌性和高溫性能，韌性金屬層與金屬間化合物層的層厚及層厚比可以零活控制的NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料，以適應該復合材料在航空、航天、能源和軍工等高技術(shù)領(lǐng)域的需要。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料，其特征在于該金屬間化合物復合材料依次由一層NbTiAl韌性金屬合金層和一層Nb3Al金屬間化合物交替疊加而成，所述的韌性金屬合金層與金屬間化合物層之間為冶金結(jié)合。
本發(fā)明所述的NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料，其特征在于所述的NbTiAl韌性金屬合金層為β/B2結(jié)構(gòu)，所述的Nb3Al金屬間化合物為A15結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所述的NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料，其特征在于金屬間化合物層與韌性金屬合金層的層厚比為1∶5～2∶1。所述的韌性金屬合金層的厚度為優(yōu)選為0.1～3mm，金屬間化合物層的厚度優(yōu)選為0.1～1.5mm。
本發(fā)明提供了一種制備所述NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料的方法，其特征在于該方法按如下步驟進行1)以Ti6Al4V合金板為基材，清洗干凈后放入惰性氣體保護室中；2)采用純Nb、純Al、純Ti元素粉末為原料，按原子百分比分別配制NbTiAl韌性金屬合金和Nb3Al金屬間化合物的混合粉末；3)采用惰性氣體保護室，將惰性氣體保護室抽真空，再充入Ar氣形成保護氣體氛圍，在激光沉積過程中一直補充Ar氣形成正壓保護環(huán)境；4)采用高功率CO2激光，輻照基體材料表面形成局部熔池；采用送粉法將韌性合金混合粉末送入熔池，經(jīng)熔池中的化學物理冶金沉積形成β/B2結(jié)構(gòu)的韌性NbTiAl合金層5)在韌性NbTiAl合金層上用高功率CO2激光，輻照形成局部熔池，用送粉法將金屬間化合物粉末送入熔池，利用熔池中的物理冶金和化學冶金反應形成A15結(jié)構(gòu)的Nb3Al金屬間化合物涂層；金屬間化合物層與韌性金屬合金層的層厚比為1∶5～2∶1；6)重復4)、5)步驟，交替疊加，逐層沉積獲NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)的金屬間化合物復合材料。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點即突出性效果本發(fā)明提供的NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料，由一層韌性NbTiAl合金層，其上疊加Nb3Al金屬間化合物，其上再疊加一層韌性金屬合金層，如此交替疊加而形成。韌性金屬合金層與Nb系金屬間化合物層之間為冶金結(jié)合，層間結(jié)合強度很高，具有良好的室溫強韌性和高溫性能，其室溫屈服強度達到1000MPa，900℃高溫屈服強度達到300MPa，斷裂韌度可達30MPa ，該材料在航空、航天、能源和軍工等高技術(shù)領(lǐng)域有廣闊的應用前景。該復合材料由激光沉積技術(shù)制備，具有很大的設計靈活性，其成份、微觀組織、層厚可以精確設計和實現(xiàn)，韌性金屬層與金屬間化合物層的層厚及層厚比可以零活控制，不僅可以實現(xiàn)成分均勻的優(yōu)質(zhì)材料，還可以實現(xiàn)梯度功能材料等非均勻材料。能較好地解決金屬間化合物材料的低溫脆性和高溫強度之間的矛盾，具有明顯不同于疊層材料的優(yōu)勢。


圖1為疊層結(jié)構(gòu)Nb3Al/NbTiAl金屬間化合物復合材料的宏觀組織。
圖2為疊層結(jié)構(gòu)Nb3Al/NbTiAl金屬間化合物復合材料中Nb3Al金屬間化合物層的微觀組織。
圖3疊層結(jié)構(gòu)Nb3Al/NbTiAl金屬間化合物復合材料中NbTiAl韌性層的微觀組織。
圖4為Nb3Al金屬間化合物層與NbTiAl韌性合金層之間的冶金結(jié)合界面具體實施方式
本發(fā)明所述金屬間復合材料中Nb系金屬間化合物以含NbTiAl成分的A15結(jié)構(gòu)的Nb3Al金屬間化合物為主，特別是含Nb12Ti22Al的金屬間化合物，也包括含NbAl成分的15結(jié)構(gòu)的Nb3Al金屬間化合物；本發(fā)明所述金屬間復合材料中韌性金屬合金以β/B2結(jié)構(gòu)的鈮鈦固溶合金為主，特別是Nb40Ti15Al合金；圖1示出疊層結(jié)構(gòu)Nb3Al/NbTiAl金屬間化合物復合材料的宏觀組織，該復合材料是由一層β/B2結(jié)構(gòu)的NbTiAl韌性合金層(圖1中深色層，微觀組織如圖3)上疊加一層脆性A15結(jié)構(gòu)的Nb3Al金屬間化合物層(圖1中淺色層，微觀組織如圖2)，再疊加一層β/B2結(jié)構(gòu)的NbTiAl韌性合金層，交替疊加而成的疊層結(jié)構(gòu)Nb3Al/NbTiAl金屬間化合物復合材料，Nb3Al金屬間化合物層與NbTiAl韌性合金層間實現(xiàn)冶金結(jié)合(圖4)。金屬間化合物層與韌性金屬合金層的層厚比為1∶5～2∶1。所述的韌性金屬合金層的厚度優(yōu)選為0.1～3mm，金屬間化合物層的厚度優(yōu)選為0.1～1.5mm。
本發(fā)明疊層結(jié)構(gòu)Nb3Al/NbTiAl金屬間化合物復合材料由激光沉積技術(shù)制備。激光沉積是利用一定功率密度范圍的高功率聚焦激光束輻照金屬基材表面形成局部熔池，同時通過送粉系統(tǒng)將一定送粉率范圍的所需成分的合金粉末送入熔池，在激光作用下熔化凝固沉積形成單道合金層；按一定比例橫向多道搭接沉積形成較大面積的韌性涂層，控制激光功率密度、掃描速度和送粉速率獲得一定厚度的涂層，通過多層沉積可以得到不同的層厚。由激光沉積方法制備的疊層材料，其疊層之間可以實現(xiàn)完全的冶金結(jié)合，各疊層厚度及層厚比可以零活控制，獲得性能變化的疊層復合材料。
本發(fā)明疊層結(jié)構(gòu)Nb3Al/NbTiAl金屬間化合物復合材料的詳細制備過程如下(1)選取Ti6Al4V合金板作為基材，板厚2mm，尺寸可為50mm×50mm，表面用丙酮和酒精溶液清洗干凈，吹風干燥，放入惰性氣體保護室中；(2)采用純Nb、純Al、純Ti元素粉末為原料，按照Nb40Ti15Al的原子百分比配比以制備NbTiAl韌性合金，按照Nb12Ti22Al的原子百分比配制Nb3Al金屬間化合物；粉末粒度均為-150目～+250目。上述粉末經(jīng)機械攪拌混合，在100℃的真空烘箱中保溫1小時去除水分；(3)采用惰性氣體保護室，將惰性氣體保護室抽真空，再充入Ar氣形成保護氣體氛圍，在激光沉積過程中一直補充Ar氣形成正壓保護環(huán)境；(4)采用高功率CO2激光，激光功率2500W，聚焦成直徑為3mm的光斑，以0.3m/min的掃描速度，輻照Ti-6Al-4V基體材料表面形成局部熔池；采用送粉法將Nb40Ti15Al混合粉末送入熔池，粉末質(zhì)量流率為30g/min，用He氣作混合粉末輸運氣體，氣體流量為3L/min，經(jīng)熔池中的化學物理冶金沉積形成單道B/B2結(jié)構(gòu)韌性NbTiAl層，以50％的搭接率橫向沉積形成較大面積的β/B2結(jié)構(gòu)的韌性NbTiAl合金層；層厚為0.7mm；(4)在Nb40Ti15Al韌性合金層上用高功率CO2激光，激光功率2500W，聚焦成直徑為3mm的光斑，以O.3m/min的掃描速度輻照形成局部熔池，用送粉法將按Nb12Ti22Al粉末送入熔池，粉末質(zhì)量流率為35g/min，用He氣作混合粉末輸運氣體，氣體流量為3.5L/min，利用熔池中的物理冶金和化學冶金反應形成單道Nb3Al金屬間化合物層；以50％的搭接率橫向多道搭接沉積形成較大面積的Nb3Al金屬間化合物涂層；層厚為0.5mm(5)在Nb3Al金屬間化合物涂層上用高功率CO2激光，激光功率2500W，聚焦成直徑為3mm的光斑，以0.3m/min的掃描速度，輻照形成局部熔池；采用送粉法將Nb40Ti15Al混合粉末送入熔池，粉末質(zhì)量流率為30g/min，用He氣作混合粉末輸運氣體，氣體流量為3L/min，經(jīng)熔池中的化學物理冶金沉積形成單道β/B2結(jié)構(gòu)韌性NbTiAl層，以50％的搭接率橫向沉積形成較大面積的β/B2結(jié)構(gòu)的韌性NbTiAl涂層；層厚為0.7mm(6)重復(4)、(5)步驟，交替疊加，逐層沉積可以獲疊層結(jié)構(gòu)Nb3Al/NbTiAl金屬間化合物復合材料，金屬間化合物與韌性合金層厚比為0.7mm。
經(jīng)測試，B2結(jié)構(gòu)Nb40Ti15Al韌性合金層的平均顯微硬度為HV0.2450，室溫壓縮強度達到691Mpa，900℃高溫壓縮強度為67MPa。A15結(jié)構(gòu)的Nb12Ti22Al成分Nb3Al金屬間化合物層的平均顯微硬度為HV0.21020，900℃高溫強度達到470MPa。疊層結(jié)構(gòu)的Nb3Al/NbTiAl金屬間化合物復合材料的室溫壓縮屈服強度達到1030MPa，900℃高溫壓縮屈服強度為301MPa。疊層結(jié)構(gòu)的Nb3Al/NbTiAl金屬間化合物復合材料的斷裂韌度達到30MPa
權(quán)利要求
1.一種NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料，其特征在于該金屬間化合物復合材料依次由一層NbTiAl韌性金屬合金層和一層Nb3Al金屬間化合物交替疊加而成，所述的韌性金屬合金層與金屬間化合物層之間為冶金結(jié)合。
2.按照權(quán)利要求1所述的NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料，其特征在于所述的NbTiAl韌性金屬合金層為β/B2結(jié)構(gòu)，所述的Nb3Al金屬間化合物為A15結(jié)構(gòu)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料，其特征在于金屬間化合物層與韌性金屬合金層的層厚比為1∶5～2∶1。
4.按照權(quán)利要求3所述的NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料，其特征在于所述的韌性金屬合金層的厚度為0.1～3mm，金屬間化合物層的厚度為0.1～1.5mm。
5.一種制備如權(quán)利要求1所述NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料的方法，其特征在于該方法按如下步驟進行1)以Ti6A14V合金板為基材，清洗干凈后放入惰性氣體保護室中；2)采用純Nb、純Al、純Ti元素粉末為原料，按原子百分比分別配制NbTiAl韌性金屬合金和Nb3Al金屬間化合物的混合粉末；3)采用惰性氣體保護室，將惰性氣體保護室抽真空，再充入Ar氣形成保護氣體氛圍，在激光沉積過程中一直補充Ar氣形成正壓保護環(huán)境；4)采用高功率CO2激光，輻照基體材料表面形成局部熔池；采用送粉法將韌性合金混合粉末送入熔池，經(jīng)熔池中的化學物理冶金沉積形成β/B2結(jié)構(gòu)的韌性NbTiAl合金層；5)在韌性NbTiAl合金層上用高功率CO2激光，輻照形成局部熔池，用送粉法將金屬間化合物粉末送入熔池，利用熔池中的物理冶金和化學冶金反應形成A15結(jié)構(gòu)的Nb3Al金屬間化合物涂層；金屬間化合物層與韌性金屬合金層的層厚比為1∶5～2∶1；6)重復4)、5)步驟，交替疊加，逐層沉積獲NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)的金屬間化合物復合材料。
全文摘要
一種NbTiAl系疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物復合材料及其制備方法，屬于金屬間化合物材料領(lǐng)域。該疊層結(jié)構(gòu)Nb系金屬間化合物復合材料由一層Nb系韌性金屬合金層、其上疊加一層Nb系金屬間化合物材料，其上再疊加一層Nb系韌性金屬合金層，如此交替疊加形成強韌匹配的疊層結(jié)構(gòu)Nb系金屬間化合物復合材料。韌性金屬合金層由激光沉積方法合成制備，金屬間化合物層由激光沉積方法直接在韌性金屬合金層上合成制備，韌性金屬層與金屬間化合物層之間為冶金結(jié)合，韌性金屬層與金屬間化合物層的層厚及層厚比可以零活控制。這種疊層結(jié)構(gòu)Nb系金屬間化合物復合材料具有良好的室溫強韌性和高溫性能，在航空航天等高溫應用領(lǐng)域有良好前景。
文檔編號C23C24/00GK1962257SQ20061016492
公開日2007年5月16日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者鐘敏霖, 何金江, 劉文今 申請人:清華大學