专利名称：陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种微叠层复合材料板材及其制备方法。
技术背景
TiAl基合金是21世纪最具有发展潜力的轻质高温结构材料之一。作为超音速飞行器和未来涡轮发动机的结构部件以及热防护系统使用的结构材料，TiAl基合金板材和箔材需求迫切。目前传统热轧制方法制备TiAl基合金板材的难度相当大，需要采用特殊包套轧制和等温轧制等特殊轧制工艺，轧制条件要求十分苛刻，设备要求很高，大大提高了工艺成本；此外单体TiAl金属间化合物板材的高温强度、蠕变抗力和持久性能等高温性能难以满足航空航天高温部件在800 1000°C工作的使用要求。以上不足严重阻碍了 TiAl基合金的应用。陶瓷颗粒或晶须增强的TiAl基复合材料可以解决上述难题，然而粉末冶金和铸造等传统方法制备的陶瓷颗粒增强TiAl基复合材料中细小的陶瓷颗粒增强体均勻分布在 TiAl基体中，导致此种结构的复合材料板材的断裂韧性不能满足使用要求。发明内容
本发明要解决单体TiAl金属间化合物在800 1000°C强度不足以及采用粉末冶金和铸造等传统方法制备出的陶瓷颗粒增强TiAl基复合材料中细小的陶瓷颗粒增强体均勻分布在TiAl基体中的TiAl复合材料板材的断裂韧性不足的问题，而提供的一种陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材及其制备方法。
本发明陶瓷-TiAl微叠层复合材料板由纯Ti箔和陶瓷增强的Al基复合材料箔材交替叠放、轧制及热处理制成，陶瓷增强的Al基复合材料箔材由陶瓷增强体和纯Al粉热压烧结及轧制制成；陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材中陶瓷层和TiAl层交替重叠，叠层间距为 20 200 μ m。
上述陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材按以下步骤制备
一、将陶瓷增强体和纯Al粉混合后采用热压烧结及轧制制备出陶瓷增强的Al基复合材料，然后陶瓷增强的Al基复合材料在温度为20 500°C条件下轧制，得到陶瓷增强的Al基复合材料箔材；
二、将纯Ti箔和陶瓷增强的Al基复合材料箔材交替叠放于铝合金套中并抽气密封，再在20 600°C条件下进行轧制，得到Ti-陶瓷增强Al基复合材料的微叠层板材；
三、将Ti-陶瓷增强Al基复合材料的微叠层板材放入真空热处理炉中，在640 850°C条件下反应退火1 20h，得到Ti-陶瓷-TiAl3微叠层板材；
四、将Ti-陶瓷-TiAl3微叠层板材放入真空热压烧结炉中进行致密化处理，致密化处理温度为900 1300°C、致密化处理保温时间为1 6h、致密化处理压力为5 IOOMPa ；
五、将经过致密化处理的微叠层板材置于850 1400°C环境中高温热处理5 40h,然后在1300 1400°C条件下均勻化退火10 60min，即得到叠层间距为20 200 μ m4的陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材。
厚度定义为IOOnm Imm的微叠层材料是通过对自然界贝壳结构的仿生学设计制备的超细层状结构材料，微叠层材料可以补偿单层材料内在性能的不足，得到强、韧最佳配合的材料。本发明陶瓷-TiAl微叠层复合材料板叠层间距为20 200 μ m,叠层间距小限制了位错的移动和缺陷的尺寸，从而提高陶瓷增强TiAl基复合材料的性能。
本发明之前的研究都是集中于金属/金属间化合物微叠层复合材料、金属/金属微叠层复合材料和陶瓷/陶瓷微叠层复合材料，而没有陶瓷/金属间化合物微叠层材料的研究。而且与现有微叠层材料制备方法(等离子喷涂法，物理气相沉积法，磁共溅射法等) 相比本发明陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材的制备方法具有设备要求低，成本低，可用于制备厚度较大板材的优点。
本发明陶瓷-TiAl微叠层复合材料板相对于TiAl单体板材具有更高的拉伸强度， 此种陶瓷-TiAl微叠层复合材料板在800 1000°C温度范围内，应变速率为IX 10_4的条件下拉伸测试表明其屈服强度达到250 350MPa，甚至比室温下单体TiAl金属间化合物的室温断裂强度还高5% 10%。本发明陶瓷-TiAl微叠层复合材料板也表现出良好的高温塑性，800 1000°C温度范围内，延伸率为6. 8% 58% ；而且比刚度在800 1000°C高温下降低很少。大大提高本发明陶瓷-TiAl微叠层复合材料板在航空航天高温环境中的实用价值。由于层间界面对裂纹的钝化作用，本发明陶瓷-TiAl微叠层复合材料板也表现出良好的延迟断裂特性，其断裂韧性随陶瓷层厚度增加而相应提高，室温断裂韧性达到8 30MPa· m1/20克服了单体TiAl金属间化合物的断裂韧性不足的缺陷，提高了航空航天结构件的使用性能。同时本发明陶瓷-TiAl微叠层复合材料板的致密度得到显著提高。
本发明陶瓷-TiAl微叠层复合材料板的制备方法利用了纯Ti箔和陶瓷增强的Al 基复合材料箔材的良好的变形能力首先制备了 Ti-陶瓷增强Al基复合材料的微叠层板材， 避免了对脆性TiAl的后续变形，并在步骤四第一次反应退火之后进行了致密化处理，不但消除了 Kirkendall孔洞，得到高致密度的微叠层复合材料板材，同时也有利于后续步骤六高温热处理反应扩散的进行。
本发明陶瓷-TiAl微叠层复合材料板的制备方法通过调整纯Ti箔和陶瓷增强的 Al基复合材料箔材的相对厚度，以及陶瓷增强的Al基复合材料箔材中陶瓷增强体的体积分数和轧制变形量，从而控制陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材中陶瓷层和TiAl层的厚度， 进而实现断裂韧性和高温性能的提高。
本发明陶瓷-TiAl微叠层复合材料板的制备方法具有制备工艺难度小、条件要求宽松、设备要求低和制备材料组织细小等优点。
图1是制备陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材具体实例一中所制备TiB2-TiAl微叠层复合材料板材的微观组织电子显微镜背散射照片。具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式陶瓷-TiAl微叠层复合材料板由纯Ti箔和陶瓷增强的Al基复合材料箔材交替叠放、轧制及热处理制成，陶瓷增强的Al基复合材料箔材由陶瓷增强体和纯Al粉热压烧结及轧制制成；陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材中陶瓷层和TiAl 层交替重叠，叠层间距为20 200 μ m。
本实施方式中选用的陶瓷增强体不与钛、铝反应。
本实施方式陶瓷增强的Al复合材料箔材是陶瓷层和TiAl层交替重叠的多层复合材料，不仅可以充分发挥微叠层结构增韧和增强的作用，同样也发挥了陶瓷相的高温性能， 解决TiAl断裂韧性低和800 1000°C条件下强度不足的问题。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一的不同点是纯Ti箔单层厚度为 100 500 μ m，纯Ti箔与陶瓷增强的Al基复合材料箔材的单层厚度比为1 0.88 0.98。 其它与实施方式一相同。
本实施方式纯Ti箔单层厚度优选为200 250 μ m。
本实施方式纯Ti箔与陶瓷增强的Al复合材料箔材的单层厚度比优选为 1 0. 91 0. 97。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二的不同点是陶瓷增强的Al 基复合材料箔材中纯Al粉的体积分数为90% 99. 9%，陶瓷增强的Al基复合材料箔材中陶瓷增强体的体积分数为0. 10%。其它与实施方式一或二相同。
本实施方式可以根据纯Al粉和陶瓷增强体的密度与质量计算出各自的体积。
本实施方式陶瓷增强的Al复合材料箔材中纯Al粉的体积分数优选为92% 98%，陶瓷增强的Al复合材料箔材中陶瓷增强体的体积分数优选为2% 8%。
本实施方式陶瓷增强的Al复合材料箔材中纯Al粉的体积分数更优选为94% 96%，陶瓷增强的Al复合材料箔材中陶瓷增强体的体积分数更优选为4% 6%。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一的不同点是纯Al粉的粒径为10 100 μ m,陶瓷增强体为尺寸是IOOnmX lym~5ymX30ym的晶须或者粒径为 IOOnm 6μπι的颗粒。其它与实施方式一至三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四之一的不同点是陶瓷增强体选自TiB2、TiC、Al2O3和Ti5Si3中的一种或几种。其它与实施方式一至四之一相同。
本实施方式步骤一中陶瓷增强体选自Ti&、TiC、Al203和Ti5Si3中的两种或两种以上的物质组成，各组分间可以为任意比例关系。
具体实施方式
六本实施方式陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材按以下步骤制备
一、将陶瓷增强体和纯Al粉混合后采用热压烧结及轧制制备出陶瓷增强的Al基复合材料，然后陶瓷增强的Al基复合材料在温度为20 500°C条件下轧制，得到陶瓷增强的Al基复合材料箔材；
二、将纯Ti箔和陶瓷增强的Al基复合材料箔材交替叠放于铝合金套中并抽气密封，再在20 600°C条件下进行轧制，得到Ti-陶瓷增强Al基复合材料的微叠层板材；
三、将Ti-陶瓷增强Al基复合材料的微叠层板材放入真空热处理炉中，在640 850°C条件下反应退火1 20h，得到Ti-陶瓷-TiAl3微叠层板材；
四、将Ti-陶瓷-TiAl3微叠层板材放入真空热压烧结炉中进行致密化处理，致密化处理温度为900 1300°C、致密化处理保温时间为1 6h、致密化处理压力为5 IOOMPa ；
五、将经过致密化处理的微叠层板材置于850 1400°C环境中高温热处理5 40h,然后在1300 1400°C条件下均勻化退火10 60min，即得到叠层间距为20 200 μ m 的陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材。
本实施方式步骤三中Al完全反应。
本实施方式步骤四可以消除步骤三反应退火中形成的Kirkendall孔洞，使得 Ti-陶瓷-TiAl3微叠层板材致密化。
本实施方式中步骤一中选用的陶瓷增强体不与钛、铝反应。
本实施方式步骤一采用粉末冶金法制备陶瓷增强的Al基复合材料将陶瓷增强体和纯Al粉通过压制成型和烧结制备得到陶瓷增强的Al基复合材料。
本实施方式步骤一中陶瓷增强的Al基复合材料优选在温度为50 500°C条件下轧制；更优选温度为300 500°C条件下轧制；进一步优选温度为400 500°C条件下轧制。
本实施方式步骤二中优选在300 550°C条件下进行轧制。
本实施方式步骤三中优选在680 800°C条件下反应退火2 IOh ；更优选在 680 730°C条件下反应退火2 8h。
本实施方式步骤四优选致密化处理温度为1000 1200°C、致密化处理保温时间为2 5h、致密化处理压力为30 90MPa ；更优选致密化处理温度为1100 1200°C、致密化处理保温时间为3 4h、致密化处理压力为40 80MPa。
本实施方式步骤五中将经过致密化处理的微叠层板材优选置于900 1300°C环境中高温热处理20 40h，然后在1300 1400°C条件下均勻化退火10 50min ；将经过致密化处理的微叠层板材更优选置于1100 1200°C环境中高温热处理30 40h，然后在 1340 1400°C条件下均勻化退火10 30min。
本实施方式步骤一中陶瓷增强体与纯Al粉混合后热压烧结温度为640士 10°C、热压烧结压力为30士5MPa ；热压烧结后轧制过程中轧制温度为400士 10°C，轧制后即得到陶瓷增强的Al基复合材料。
本实施方式陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材是陶瓷层和TiAl层交替重叠的具有多层结构的复合材料，不仅可以充分发挥微叠层结构增韧和增强的作用，同样也发挥了陶瓷相的高温性能，解决TiAl断裂韧性低和800°C以上强度不足的问题。
具体实施方案七本实施方式与具体实施方式
六的不同点是步骤二中纯Ti箔的单层厚度为100 500 μ m ；陶瓷增强的Al基复合材料箔材与纯Ti箔的单层厚度比为 0.88 0.98 1。其它步骤及参数与实施方式一相同。
本实施方式步骤二中纯Ti箔与陶瓷增强的Al基复合材料箔材的单层厚度比优选为 1 0. 92 0. 94。
本实施方式步骤二中纯Ti箔单层厚度优选为200 250 μ m。
具体实施方案八本实施方式与具体实施方式
六或七的不同点是步骤二中纯 Ti箔和陶瓷增强的Al基复合材料箔材交替叠放后总厚度为4. 3 8. 9mm,轧制变形量为 40% 80%。其它步骤及参数与实施方式六或七相同。
本实施方式优选轧制变形量为45 % 65 %。
具体实施方案九本实施方式与具体实施方式
六至八之一的不同点是步骤一中陶瓷增强的Al复合材料箔材中纯Al粉的体积分数为90% 99. 9%，陶瓷增强的Al复合材料箔材中陶瓷增强体的体积分数为0. 10%。其它步骤及参数与实施方式六至八之一相同。
本实施方式步骤二中陶瓷增强的Al基复合材料箔材中纯Al粉的体积分数优选为 92% 98%，陶瓷增强的Al基复合材料箔材中陶瓷增强体的体积分数优选为2% 8%。
本实施方式步骤二中陶瓷增强的Al基复合材料箔材中纯Al粉的体积分数更优选为94% 96%，陶瓷增强的Al基复合材料箔材中陶瓷增强体的体积分数更优选为4% 6%。
具体实施方案十本实施方式与具体实施方式
六至九之一的不同点是步骤一中陶瓷增强体选自TiB2、TiC、Al203和Ti5Si3中的一种或几种。其它步骤及参数与实施方式六至九之一相同。
本实施方式步骤一中陶瓷增强体选自Ti&、TiC、Al203和Ti5Si3中的两种或两种以上的物质组成，各组分间可以为任意比例关系。
本实施方式步骤一中纯Al粉的粒径为10 ΙΟΟμπι，陶瓷增强体为尺寸是 IOOnmX Iym- 5ymX30ym的晶须或者粒径为IOOnm 6 μ m的颗粒。
制备陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材具体实例一
一、将陶瓷增强体TW2和纯Al粉混合后在温度为645°C、压力为30MPa的条件下热压烧结，然后在温度为400°C条件下进行轧制得到TB2增强的Al基复合材料，然后TB2 增强的Al基复合材料在温度为500°C条件下轧制，得到Ti&/Al基复合材料箔材，TiB2Al 基复合材料箔材单层厚度为186 μ m ；
二、将12层、单层厚度为200 μ m的纯Ti箔和11层Ti&/Al基复合材料箔材交替叠放于铝合金套中并抽气密封，再在520°C条件下进行轧制，得到Ti-(Ti&/Al)微叠层板材；
三、将Ti_(Ti&/Al)微叠层板材放入真空热处理炉中，在680°C条件下反应退火证，得到Ti-TW2-TiAl3微叠层板材；
四、将Ti-TW2-TiAl3微叠层板材放入真空热压烧结炉中进行致密化处理，致密化处理温度为1200°C、致密化处理保温时间为3h、致密化处理压力为40MPa ；
五、将经过致密化处理的微叠层板材置于1200°C环境中高温热处理40h，然后在 1400°C条件下均勻化退火20min，即得到TB2-TiAl微叠层复合材料板材；
其中，步骤一中Ti&/Al基复合材料箔材中纯Al粉的体积分数为95%，TiB2/Al基复合材料箔材中陶瓷增强体TB2的体积分数为5% ；
步骤一中纯Al粉的粒径为10 50 μ m,陶瓷增强体TW2的粒径为3 6 μ m ；
步骤二中纯Ti箔和陶瓷增强的Al基复合材料箔材交替叠放后总厚度为4. 45mm, 轧制变形量为61%。本实验制备的陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材(TiB2-TiAl微叠层复合材料板材)致密度高，其微观组织是由平均厚度为5 μ m的TB2层和150 μ m的全片层结构的TiAl构成的，如附图1所示，TiB2-TiAl微叠层复合材料板材在800°C 1000°C环境中屈服强度为260MPa 350MPa，延伸率为 .2% 58%，常温断裂韧性为10 30MPa -m1/20
制备陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材具体实例二
一、将陶瓷增强体TiB2和Al2O3 (TiB2和Al2O3的体积比为1 1)与纯Al粉混合后在温度为640°C、压力为32MPa的条件下热压烧结，然后在温度为405°C条件下进行轧制得到(TiB2+Al203)/Al复合材料，然后在温度为500°C条件下轧制，得到(ΤΒ2+Α1203)/Al基复合材料箔材，(TiB2+Al203)/Al基复合材料箔材单层厚度为232 μ m ；
二、将12层、单层厚度为250 μ m^ Ti箔和11层(TiB2+Al203)/Al基复合材料箔材交替叠放于铝合金套中并抽气密封，再在520°C条件下进行轧制，得到Ti-[ (TiB2+Al203) / Al]微叠层板材；
三、将Ti-[(Ti&+Al203)/Al]微叠层板材放入真空热处理炉中，在680°C条件下反应退火釙，得到Ti-(Ti&+Al203)-TiAl3微叠层板材；
四、将Ti-(Ti&+Al203)-TiAl3微叠层板材放入真空热压烧结炉中进行致密化处理，致密化处理温度为1200°C、致密化处理保温时间为3h、致密化处理压力为40MPa ；
五、将经过致密化处理的微叠层板材置于1200°C环境中高温热处理40h，然后在 1400°C条件下均勻化退火20min，即得到(TiB2+Al203)-TiAl微叠层复合材料板材；
其中，步骤一中(TiB2+Al203)/Al基复合材料箔材中纯Al粉的体积分数为95%， (TiB2+Al203)/Al基复合材料箔材中陶瓷增强体(TiB2+Al203)总体积分数为5%，其中TW2 和Al2O3的体积比为1 1;
步骤一中纯Al粉的粒径为10 50 μ m,陶瓷增强体TW2和Al2O3的粒径均为3 6 μ m ；
步骤二中纯Ti箔和陶瓷增强的Al基复合材料箔材交替叠放后总厚度为5. 55mm, 轧制变形量为阳％。
本实验制备的陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材((TiB2+Al203)-TiAl微叠层复合材料板材)在800°C 1000°C环境中屈服强度为250MPa 330MPa，延伸率为6. 8% 55%， 常温断裂韧性为8 ^MPa ·πι"2。而且由于Al2O3的加入，提高了 TiAl合金的抗氧化性，本实验制备的(TiB2+Al203) -TiAl微叠层复合材料板材在900°C下经空气炉氧化100小时试样增重量比单体TiAl金属基复合材料板材少了一个数量级，大大满足了 TiAl材料的高温实用化的需要。
权利要求
1.陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材，其特征在于陶瓷-TiAl微叠层复合材料板由纯Ti 箔和陶瓷增强的Al基复合材料箔材交替叠放、轧制及热处理制成，陶瓷增强的Al基复合材料箔材由陶瓷增强体和纯Al粉热压烧结及轧制制成；陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材中陶瓷层和TiAl层交替重叠，叠层间距为20 200 μ m。
2.根据权利要求1所述的陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材，其特征在于纯Ti箔单层厚度为100 500 μ m，纯Ti箔与陶瓷增强的Al基复合材料箔材的单层厚度比为1 0. 88 0. 98。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材，其特征在于陶瓷增强的Al基复合材料箔材中纯Al粉的体积分数为90% 99. 9%，陶瓷增强的Al基复合材料箔材中陶瓷增强体的体积分数为0. 10%。
4.根据权利要求3所述的陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材，其特征在于纯Al粉的粒径为10 100 μ m，陶瓷增强体是尺寸为IOOnmXlym 5μπιΧ30μπι的晶须或者粒径为 IOOnm 6μπι的颗粒。
5.根据权利要求4所述的陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材，其特征在于陶瓷增强体选自TiB2^Ticai2O3和Ti5Si3中的一种或几种。
6.权利要求1所述陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材的制备方法，其特征在于陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材按以下步骤制备一、将陶瓷增强体和纯Al粉混合后采用热压烧结及轧制制备出陶瓷增强的Al基复合材料，然后陶瓷增强的Al基复合材料在温度为20 500°C条件下轧制，得到陶瓷增强的Al 基复合材料箔材；二、将纯Ti箔和陶瓷增强的Al基复合材料箔材交替叠放于铝合金套中并抽气密封，再在20 600°C条件下进行轧制，得到Ti-陶瓷增强Al基复合材料的微叠层板材；三、将Ti-陶瓷增强Al基复合材料的微叠层板材放入真空热处理炉中，在640 850°C 条件下反应退火1 20h，得到Ti-陶瓷-TiAl3微叠层板材；四、将Ti-陶瓷-TiAl3微叠层板材放入真空热压烧结炉中进行致密化处理，致密化处理温度为900 1300°C、致密化处理保温时间为1 6h、致密化处理压力为5 IOOMPa ；五、将经过致密化处理的微叠层板材置于850 1400°C环境中高温热处理5 40h，然后在1300 1400°C条件下均勻化退火10 60min，即得到叠层间距为20 200 μ m的陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材。
7.根据权利要求6所述的陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤二中纯Ti箔的单层厚度为100 500 μ m ；陶瓷增强的Al基复合材料箔材与纯Ti箔的单层厚度比为0.88 0.98 1。
8.根据权利要求6或7所述的陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤二中纯Ti箔和陶瓷增强的Al基复合材料箔材交替叠放后总厚度为4. 3 8. 9mm,轧制变形量为40% 80%。
9.根据权利要求8所述的陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤一中陶瓷增强的Al复合材料箔材中纯Al粉的体积分数为90% 99. 9%，陶瓷增强的Al 复合材料箔材中陶瓷增强体的体积分数为0. 10%。
10.根据权利要求9所述的陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤一中陶瓷增强体选自TiB2、TiC、Al2O3和Ti5Si3中的一种或几种。
全文摘要
陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材及其制备方法，它涉及一种微叠层复合材料板材及其制备方法。它主要解决了单体TiAl金属间化合物板材的高温强度不足难以满足在800～1000℃工作的航空航天高温部件的使用要求以及解决粉末冶金和铸造等传统方法制备的陶瓷颗粒增强体均匀分布在TiAl基体中的TiAl复合材料板材断裂韧性不足的问题。陶瓷-TiAl微叠层复合材料板由纯Ti箔和陶瓷增强的Al基复合材料箔材交替叠放、轧制及热处理制成。制备方法一、制备陶瓷增强的Al基复合材料箔材；二、纯Ti箔和陶瓷增强的Al基复合材料箔材交替叠放、轧制；三、反应退火；四、致密化处理；五、高温热处理、均匀化退火。本发明陶瓷-TiAl微叠层复合材料板材用于航空航天机械制造领域。
文档编号B32B37/06GK102501457SQ201110301598
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者崔喜平, 张 杰, 彭华新, 李爱斌, 耿林, 范国华, 黄陆军 申请人:哈尔滨工业大学