專利名稱：一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
TiAl 合金由于具備密度低、熔點(diǎn)高、蠕變抗力以及抗氧化能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，使其成為一種極具應(yīng)用潛力的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。但TiAl合金的室溫脆性以及高溫下強(qiáng)度不足等缺陷限制了 TiAl合金的廣泛應(yīng)用。為滿足當(dāng)今航空航天工業(yè)對(duì)材料性能越來越高的要求，在TiAl合金中引入增強(qiáng)體，特別是連續(xù)纖維以改善TiAl合金的不足并進(jìn)一步提高TiAl合金的性能已成為研究熱點(diǎn)。目前常用的增強(qiáng)體主要有SiC和Al2O3陶瓷纖維以及Ti、Nb和TiNb金屬纖維。陶瓷纖維雖具有很高的高溫強(qiáng)度，但價(jià)格昂貴，且脆性很大，制備過程容易斷裂；Ti纖維熔點(diǎn)低，高溫強(qiáng)度不足，制備過程中易與TiAl合金發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，造成纖維承載能力下降；而Nb和TiNb纖維至今未商品化。預(yù)制體的制備是采用連續(xù)纖維作為增強(qiáng)體制備TiAl基復(fù)合材料的重要步驟，目前制備預(yù)制體的方法主要有箔-纖維-箔法、粉末布法以及涂層法，涂層法包括等離子噴涂、物理氣相沉積及化學(xué)氣相沉積等方法。其中，箔-纖維-箔法存在脆性TiAl合金箔材制備困難且成本高的問題；粉末布法的成本低，但因其需要制備粉末布，導(dǎo)致制備步驟繁瑣；涂層法的操作復(fù)雜、效率低、成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有TiAl合金的室溫韌性差、高溫下強(qiáng)度不足以及現(xiàn)有的連續(xù)纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法復(fù)雜、效率低、成本高的問題，而提供一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料，其特征在于連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料是由連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)相和TiAl基體組成；其中，Mo纖維的體積百分比為l(T50vol. % ;TiAl基體中的Ti元素與Al元素的摩爾比為I I. 5: I。本發(fā)明的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行—、按質(zhì)量份數(shù)稱取I份的聚甲基丙烯酸甲酯，Γ10份的Ti粉末和Al粉末的混合粉末；其中，Ti粉末與Al粉末的摩爾比為f I. 5:1 ；二、將步驟一稱取的聚甲基丙烯酸甲酯加入到丙酮中，攪拌溶解，制備聚甲基丙烯酸甲酯質(zhì)量百分含量為15. 39Γ20. 2%的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液，再加入步驟一稱取的Ti粉末和Al粉末的混合粉末繼續(xù)攪拌至形成均勻懸濁液，得到粉末漿料；三、采用纖維纏繞機(jī)，以鋁板為載體，將Mo纖維以O(shè). 12^0. 3mm的間距纏繞在鋁板上，在其上方涂覆步驟二得到的粉末漿料，涂覆厚度為O. 24、. 6mm,自然條件下，待粉末漿料中的丙酮揮發(fā)，粉末漿料固化，得到包覆有復(fù)合材料預(yù)制體的鋁板；其中，Mo纖維的直徑為 O. 08 O. 18mm ；四、以步驟三得到的包覆有復(fù)合材料預(yù)制體的鋁板為載體，按步驟三的方法重復(fù)操作1(Γ40次，然后對(duì)其進(jìn)行線切割，以分離鋁板和復(fù)合材料預(yù)制體，得到復(fù)合材料預(yù)制體；；其中，復(fù)合材料預(yù)制體中Mo纖維的體積百分比為5 25vol. % ；五、采用熱壓燒結(jié)法，在真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，以石墨為模具，將步驟四得到的復(fù)合材料預(yù)制體按以下步驟進(jìn)行燒結(jié)a、將步驟四得到的復(fù)合材料預(yù)制體在壓力為5 10Mpa的條件下，從室溫升至36(T390°C，并在該條件下保持O. 8 2h ;b、增加壓力至2(T40MPa，升溫至68(T720°C，并在該條件下保持l(T40min ;c、保壓升溫至1000-1200°C，并在該條件下保持f 4h ;d、隨爐冷卻至室溫，得到連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料；其中，熱壓燒結(jié)過程中的真空度為10_2Pa，升溫速率為8 15°C /min。本發(fā)明的連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法中，采用粉末漿料鑄造法制備預(yù)制體，省去了粉末布制備環(huán)節(jié)，操作更為簡(jiǎn)便，效率大幅提高，并能有效控制增強(qiáng)纖維體積百分比；采用連續(xù)Mo纖維作為TiAl基合金的增強(qiáng)體，Mo纖維具有良好的高溫強(qiáng)韌性且價(jià)格較低，在提升TiAl合金性能的同時(shí)也保證了低廉的制備成本。本發(fā)明制備的連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料具有室溫韌性好以及高溫下強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。室溫下的彎曲強(qiáng) 度可達(dá)到740MPa，而一般TiAl基復(fù)合材料的室溫下的彎曲強(qiáng)度僅為44(T700MPa ;在800°C下的彎曲強(qiáng)度也仍可達(dá)到736MPa，表現(xiàn)出了優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。本發(fā)明適用于連續(xù)纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的生產(chǎn)。


圖I是試驗(yàn)一得到的連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的掃描電子顯微照片；圖2是試驗(yàn)一得到的連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的X射線衍射譜圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的技術(shù)方案不局限于以下所列舉的具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料，其特征在連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料是由連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)相和TiAl基體組成；其中，Mo纖維的體積百分比為l(T50VOl. % ;TiAl基體中的Ti元素與Al元素的摩爾比為1 1.5:1。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、按質(zhì)量份數(shù)稱取I份的聚甲基丙烯酸甲酯，Γ10份的Ti粉末和Al粉末的混合粉末；其中，Ti粉末與Al粉末的摩爾比為f I. 5:1 ；二、將步驟一稱取的聚甲基丙烯酸甲酯加入到丙酮中，攪拌溶解，制備聚甲基丙烯酸甲酯質(zhì)量百分含量為15. 39Γ20. 2%的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液，再加入步驟一稱取的Ti粉末和Al粉末的混合粉末繼續(xù)攪拌至形成均勻懸濁液，得到粉末漿料；三、采用纖維纏繞機(jī)，以鋁板為載體，將Mo纖維以O(shè). 12^0. 3mm的間距纏繞在鋁板上，在其上方涂覆步驟二得到的粉末漿料，涂覆厚度為O. 24、. 6mm,自然條件下，待粉末漿料中的丙酮揮發(fā)，粉末漿料固化，得到包覆有復(fù)合材料預(yù)制體的鋁板；其中，Mo纖維的直徑為 O. 08 O. 18mm ；四、以步驟三得到的包覆有復(fù)合材料預(yù)制體的鋁板為載體，按步驟三的方法重復(fù)操作1(Γ40次，然后對(duì)其進(jìn)行線切割，以分離鋁板和復(fù)合材料預(yù)制體，得到復(fù)合材料預(yù)制體；；其中，復(fù)合材料預(yù)制體中Mo纖維的體積百分比為5 25vol. % ；五、采用熱壓燒結(jié)法，在真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，以石墨為模具，將步驟四得到的復(fù)合材料預(yù)制體按以下步驟進(jìn)行燒結(jié)a、將步驟四得到的復(fù)合材料預(yù)制體在壓力為5 10Mpa的條件下，從室溫升至36(T390°C，并在該條件下保持O. 8 2h ;b、增加壓力至2(T40MPa，升溫至68(T720°C，并在該條件下保持l(T40min ;c、保壓升溫至1000-1200°C，并在該條件下保持f 4h ;d、隨爐冷卻至室溫，得到連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料；其中，熱壓燒結(jié)過程中的真空度為10_2Pa，升溫速率為8 15°C /min。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二不同的是步驟一中按質(zhì)量份數(shù)稱取I份的聚甲基丙烯酸甲酯，6份的Ti粉末和Al粉末的混合粉末；其中，Ti粉末與Al粉末的摩爾比為53:47。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二或三不同的是步驟二中制備聚 甲基丙烯酸甲酯的質(zhì)量百分含量為17. 4%的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
二或三相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二至四之一不同的是步驟三中將Mo纖維以O(shè). 2mm的間距纏繞在鋁板上。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
二至四相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二至五之一不同的是步驟三中涂覆厚度為0.4_。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
二至五相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二至六之一不同的是步驟五的a步驟中在壓力為SMPa的條件下從室溫升至380°C，并在該條件下保持lh。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
二至六相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二至七之一不同的是步驟五b的步驟中增加壓力至30MPa，升溫至700°C，并在該條件下保持30min。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
二至七相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二至八之一不同的是步驟五c步驟中保壓升溫至IIOO0C，并在該條件下保持2h。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
二至八相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二至九之一不同的是步驟五中升溫速率為10°c /min。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
二至九相同。通過以下試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果試驗(yàn)一本試驗(yàn)的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法，是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、按質(zhì)量份數(shù)稱取I份的聚甲基丙烯酸甲酯，6份的Ti粉末和Al粉末的混合粉末；其中，Ti粉末與Al粉末的摩爾比為53:47 ;二、將步驟一稱取的聚甲基丙烯酸甲酯加入到丙酮中，攪拌溶解，制備聚甲基丙烯酸甲酯質(zhì)量百分含量為17. 4%的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液，再加入步驟一稱取的Ti粉末和Al粉末的混合粉末繼續(xù)攪拌至形成均勻懸濁液，得到粉末漿料；三、采用纖維纏繞機(jī)，以鋁板為載體，將Mo纖維以O(shè). 2mm的間距纏繞在鋁板上，在其上方涂覆步驟二得到的粉末漿料，涂覆厚度為O. 4mm,自然條件下，待粉末漿料中的丙酮揮發(fā)，粉末漿料固化，得到包覆有復(fù)合材料預(yù)制體的鋁板；其中，Mo纖維的直徑為O. Imm ；四、以步驟三得到的包覆有復(fù)合材料預(yù)制體的鋁板為載體，按步驟三的方法重復(fù)操作15次，然后對(duì)其進(jìn)行線切割，以分離鋁板和復(fù)合材料預(yù)制體，得到復(fù)合材料預(yù)制體；其中，復(fù)合材料預(yù)制體中Mo纖維的體積百分比為IOvol. % ；五、采用熱壓燒結(jié)法，在真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，以石墨為模具，將步驟四得到的復(fù)合材料預(yù)制體按以下步驟進(jìn)行燒結(jié)a、將步驟四得到的復(fù)合材料預(yù)制體在壓力為SMpa的條件下，從室溫升至380°C，并在該條件下保持Ih ;b、增加壓力至30MPa，升溫至700°C，并在該條件下保持30min ;c、保壓升溫至1100°C，并在該條件下保持2h ;d、隨爐冷卻至室溫，得到連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料；其中，熱壓燒結(jié)過程中的真空度為10_2Pa，升溫速率為10°C /min試驗(yàn)一得到的連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)致密，密度為4. 9-5. 2g/cm3 ;其掃描電子顯微照片如圖I所示，Mo纖維在TiAl基體中分布均勻；采用X射線衍射儀對(duì)其進(jìn)行物相檢測(cè)，X射線衍射譜圖如圖2所示，其中，〇代表Ti3Al、A代表TiAl、☆代表 Mo，該復(fù)合材料是由TiAl相和Mo相組成，并含有少量的Ti3Al相；采用三點(diǎn)彎曲方法測(cè)定其彎曲強(qiáng)度，在室溫條件下，試驗(yàn)一得到的連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)為 740MPa，800°C下仍可達(dá)到 736MPa。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料，其特征在于連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料由連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)相和TiAl基體組成；其中，Mo纖維的體積百分比為1(Γ50νΟ1. % ；TiAl基體中的Ti元素與Al元素的摩爾比為f I. 5:1。
2.如權(quán)利要求I所述的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行 一、按質(zhì)量份數(shù)稱取I份的聚甲基丙烯酸甲酯，Γ10份的Ti粉末和Al粉末的混合粉末；其中，Ti粉末與Al粉末的摩爾比為f I. 5:1 ； 二、將步驟一稱取的聚甲基丙烯酸甲酯加入到丙酮中，攪拌溶解，制備聚甲基丙烯酸甲酯質(zhì)量百分含量為15. 39Γ20. 2%的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液，再加入步驟一稱取的Ti粉末和Al粉末的混合粉末繼續(xù)攪拌至形成均勻懸濁液，得到粉末漿料； 三、采用纖維纏繞機(jī)，以鋁板為載體，將Mo纖維以O(shè).12^0. 3mm的間距纏繞在鋁板上，在其上方涂覆步驟二得到的粉末漿料，涂覆厚度為O. 24、. 6mm,自然條件下，待粉末漿料中的丙酮揮發(fā)，粉末漿料固化，得到包覆有復(fù)合材料預(yù)制體的鋁板；其中，Mo纖維的直徑為O.08^0. 18mm ； 四、以步驟三得到的包覆有復(fù)合材料預(yù)制體的鋁板為載體，按步驟三的方法重復(fù)操作1(Γ40次，然后對(duì)其進(jìn)行線切割，以分離鋁板和復(fù)合材料預(yù)制體，得到復(fù)合材料預(yù)制體；；其中，復(fù)合材料預(yù)制體中Mo纖維的體積百分比為5 25vol. % ； 五、采用熱壓燒結(jié)法，在真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，以石墨為模具，將步驟四得到的復(fù)合材料預(yù)制體按以下步驟進(jìn)行燒結(jié)a、將步驟四得到的復(fù)合材料預(yù)制體在壓力為5 10Mpa的條件下，從室溫升至36(T390°C，并在該條件下保持O. 8 2h ;b、增加壓力至2(T40MPa，升溫至68(T720°C，并在該條件下保持l(T40min ;c、保壓升溫至1000-1200°C，并在該條件下保持r4h ;d、隨爐冷卻至室溫，得到連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料；其中，熱壓燒結(jié)過程中的真空度為10_2Pa，升溫速率為8 15°C /min。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一中按質(zhì)量份數(shù)稱取I份的聚甲基丙烯酸甲酯，6份的Ti粉末和Al粉末的混合粉末；其中，Ti粉末與Al粉末的摩爾比為53:47。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二中制備聚甲基丙烯酸甲酯的質(zhì)量百分含量為17. 4%的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟三中將Mo纖維以O(shè). 2mm的間距纏繞在鋁板上。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟三中涂覆厚度為O. 4mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟五的a步驟中在壓力為SMPa的條件下從室溫升至380°C，并在該條件下保持lh。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟五的b步驟中增加壓力至30MPa，升溫至700°C，并在該條件下保持30min。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟五的c步驟中保壓升溫至1100°C，并在該條件下保持2h。
10.根據(jù)權(quán)利要求2、7、8或9所述的一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟五中升溫速率為10°C /min。
全文摘要
一種連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料及其制備方法，它涉及一種復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有TiAl合金的室溫脆性和高溫下強(qiáng)度不足以及現(xiàn)有的連續(xù)纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法復(fù)雜、效率低、成本高的問題。本發(fā)明的連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料由連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)體和TiAl基體組成。制備方法首先，配制粉末漿料；然后，采用粉末漿料鑄造法制備預(yù)制體并對(duì)其切割；最后，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，得到連續(xù)Mo纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料。本發(fā)明制備的復(fù)合材料室溫韌性好且高溫下強(qiáng)度高，制備方法簡(jiǎn)單、效率高、成本低。本發(fā)明適用于連續(xù)纖維增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C22C111/02GK102796972SQ20121033637
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者孫東立, 周毅, 王清, 韓秀麗, 武高輝 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)