专利名称：一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料及其制备方法。
背景技术：
TiAl 合金由于具备密度低、熔点高、蠕变抗力以及抗氧化能力强的优点，使其成为一种极具应用潜力的轻质高温结构材料。但TiAl合金的室温脆性以及高温下强度不足等缺陷限制了 TiAl合金的广泛应用。为满足当今航空航天工业对材料性能越来越高的要求，在TiAl合金中引入增强体，特别是连续纤维以改善TiAl合金的不足并进一步提高TiAl合金的性能已成为研究热点。目前常用的增强体主要有SiC和Al2O3陶瓷纤维以及Ti、Nb和TiNb金属纤维。陶瓷纤维虽具有很高的高温强度，但价格昂贵，且脆性很大，制备过程容易断裂；Ti纤维熔点低，高温强度不足，制备过程中易与TiAl合金发生严重的界面反应，造成纤维承载能力下降；而Nb和TiNb纤维至今未商品化。预制体的制备是采用连续纤维作为增强体制备TiAl基复合材料的重要步骤，目前制备预制体的方法主要有箔-纤维-箔法、粉末布法以及涂层法，涂层法包括等离子喷涂、物理气相沉积及化学气相沉积等方法。其中，箔-纤维-箔法存在脆性TiAl合金箔材制备困难且成本高的问题；粉末布法的成本低，但因其需要制备粉末布，导致制备步骤繁琐；涂层法的操作复杂、效率低、成本高。
发明内容
本发明是要解决现有TiAl合金的室温韧性差、高温下强度不足以及现有的连续纤维增强TiAl基复合材料的制备方法复杂、效率低、成本高的问题，而提供一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料及其制备方法。本发明的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料，其特征在于连续Mo纤维增强TiAl基复合材料是由连续Mo纤维增强相和TiAl基体组成；其中，Mo纤维的体积百分比为l(T50vol. % ;TiAl基体中的Ti元素与Al元素的摩尔比为I I. 5: I。本发明的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法按以下步骤进行—、按质量份数称取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粉末与Al粉末的摩尔比为f I. 5:1 ；二、将步骤一称取的聚甲基丙烯酸甲酯加入到丙酮中，搅拌溶解，制备聚甲基丙烯酸甲酯质量百分含量为15. 39Γ20. 2%的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液，再加入步骤一称取的Ti粉末和Al粉末的混合粉末继续搅拌至形成均匀悬浊液，得到粉末浆料；三、采用纤维缠绕机，以铝板为载体，将Mo纤维以O. 12^0. 3mm的间距缠绕在铝板上，在其上方涂覆步骤二得到的粉末浆料，涂覆厚度为O. 24、. 6mm,自然条件下，待粉末浆料中的丙酮挥发，粉末浆料固化，得到包覆有复合材料预制体的铝板；其中，Mo纤维的直径为 O. 08 O. 18mm ；四、以步骤三得到的包覆有复合材料预制体的铝板为载体，按步骤三的方法重复操作1(Γ40次，然后对其进行线切割，以分离铝板和复合材料预制体，得到复合材料预制体；；其中，复合材料预制体中Mo纤维的体积百分比为5 25vol. % ；五、采用热压烧结法，在真空热压烧结炉内，以石墨为模具，将步骤四得到的复合材料预制体按以下步骤进行烧结a、将步骤四得到的复合材料预制体在压力为5 10Mpa的条件下，从室温升至36(T390°C，并在该条件下保持O. 8 2h ;b、增加压力至2(T40MPa，升温至68(T720°C，并在该条件下保持l(T40min ;c、保压升温至1000-1200°C，并在该条件下保持f 4h ;d、随炉冷却至室温，得到连续Mo纤维增强TiAl基复合材料；其中，热压烧结过程中的真空度为10_2Pa，升温速率为8 15°C /min。本发明的连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法中，采用粉末浆料铸造法制备预制体，省去了粉末布制备环节，操作更为简便，效率大幅提高，并能有效控制增强纤维体积百分比；采用连续Mo纤维作为TiAl基合金的增强体，Mo纤维具有良好的高温强韧性且价格较低，在提升TiAl合金性能的同时也保证了低廉的制备成本。本发明制备的连续Mo纤维增强TiAl基复合材料具有室温韧性好以及高温下强度高的优点。室温下的弯曲强 度可达到740MPa，而一般TiAl基复合材料的室温下的弯曲强度仅为44(T700MPa ;在800°C下的弯曲强度也仍可达到736MPa，表现出了优异的高温力学性能。本发明适用于连续纤维增强TiAl基复合材料的生产。
图I是试验一得到的连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的扫描电子显微照片；图2是试验一得到的连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的X射线衍射谱图。
具体实施例方式本发明的技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料，其特征在连续Mo纤维增强TiAl基复合材料是由连续Mo纤维增强相和TiAl基体组成；其中，Mo纤维的体积百分比为l(T50VOl. % ;TiAl基体中的Ti元素与Al元素的摩尔比为1 1.5:1。
具体实施方式
二 本实施方式的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法按以下步骤进行一、按质量份数称取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粉末与Al粉末的摩尔比为f I. 5:1 ；二、将步骤一称取的聚甲基丙烯酸甲酯加入到丙酮中，搅拌溶解，制备聚甲基丙烯酸甲酯质量百分含量为15. 39Γ20. 2%的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液，再加入步骤一称取的Ti粉末和Al粉末的混合粉末继续搅拌至形成均匀悬浊液，得到粉末浆料；三、采用纤维缠绕机，以铝板为载体，将Mo纤维以O. 12^0. 3mm的间距缠绕在铝板上，在其上方涂覆步骤二得到的粉末浆料，涂覆厚度为O. 24、. 6mm,自然条件下，待粉末浆料中的丙酮挥发，粉末浆料固化，得到包覆有复合材料预制体的铝板；其中，Mo纤维的直径为 O. 08 O. 18mm ；四、以步骤三得到的包覆有复合材料预制体的铝板为载体，按步骤三的方法重复操作1(Γ40次，然后对其进行线切割，以分离铝板和复合材料预制体，得到复合材料预制体；；其中，复合材料预制体中Mo纤维的体积百分比为5 25vol. % ；五、采用热压烧结法，在真空热压烧结炉内，以石墨为模具，将步骤四得到的复合材料预制体按以下步骤进行烧结a、将步骤四得到的复合材料预制体在压力为5 10Mpa的条件下，从室温升至36(T390°C，并在该条件下保持O. 8 2h ;b、增加压力至2(T40MPa，升温至68(T720°C，并在该条件下保持l(T40min ;c、保压升温至1000-1200°C，并在该条件下保持f 4h ;d、随炉冷却至室温，得到连续Mo纤维增强TiAl基复合材料；其中，热压烧结过程中的真空度为10_2Pa，升温速率为8 15°C /min。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
二不同的是步骤一中按质量份数称取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粉末与Al粉末的摩尔比为53:47。其它步骤及参数与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
二或三不同的是步骤二中制备聚 甲基丙烯酸甲酯的质量百分含量为17. 4%的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液。其它步骤及参数与具体实施方式
二或三相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
二至四之一不同的是步骤三中将Mo纤维以O. 2mm的间距缠绕在铝板上。其它步骤及参数与具体实施方式
二至四相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
二至五之一不同的是步骤三中涂覆厚度为0.4_。其它步骤及参数与具体实施方式
二至五相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
二至六之一不同的是步骤五的a步骤中在压力为SMPa的条件下从室温升至380°C，并在该条件下保持lh。其它步骤及参数与具体实施方式
二至六相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
二至七之一不同的是步骤五b的步骤中增加压力至30MPa，升温至700°C，并在该条件下保持30min。其它步骤及参数与具体实施方式
二至七相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
二至八之一不同的是步骤五c步骤中保压升温至IIOO0C，并在该条件下保持2h。其它步骤及参数与具体实施方式
二至八相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
二至九之一不同的是步骤五中升温速率为10°c /min。其它步骤及参数与具体实施方式
二至九相同。通过以下试验验证本发明的有益效果试验一本试验的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法，是通过以下步骤实现的一、按质量份数称取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粉末与Al粉末的摩尔比为53:47 ;二、将步骤一称取的聚甲基丙烯酸甲酯加入到丙酮中，搅拌溶解，制备聚甲基丙烯酸甲酯质量百分含量为17. 4%的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液，再加入步骤一称取的Ti粉末和Al粉末的混合粉末继续搅拌至形成均匀悬浊液，得到粉末浆料；三、采用纤维缠绕机，以铝板为载体，将Mo纤维以O. 2mm的间距缠绕在铝板上，在其上方涂覆步骤二得到的粉末浆料，涂覆厚度为O. 4mm,自然条件下，待粉末浆料中的丙酮挥发，粉末浆料固化，得到包覆有复合材料预制体的铝板；其中，Mo纤维的直径为O. Imm ；四、以步骤三得到的包覆有复合材料预制体的铝板为载体，按步骤三的方法重复操作15次，然后对其进行线切割，以分离铝板和复合材料预制体，得到复合材料预制体；其中，复合材料预制体中Mo纤维的体积百分比为IOvol. % ；五、采用热压烧结法，在真空热压烧结炉内，以石墨为模具，将步骤四得到的复合材料预制体按以下步骤进行烧结a、将步骤四得到的复合材料预制体在压力为SMpa的条件下，从室温升至380°C，并在该条件下保持Ih ;b、增加压力至30MPa，升温至700°C，并在该条件下保持30min ;c、保压升温至1100°C，并在该条件下保持2h ;d、随炉冷却至室温，得到连续Mo纤维增强TiAl基复合材料；其中，热压烧结过程中的真空度为10_2Pa，升温速率为10°C /min试验一得到的连续Mo纤维增强TiAl基复合材料，结构致密，密度为4. 9-5. 2g/cm3 ;其扫描电子显微照片如图I所示，Mo纤维在TiAl基体中分布均匀；采用X射线衍射仪对其进行物相检测，X射线衍射谱图如图2所示，其中，〇代表Ti3Al、A代表TiAl、☆代表 Mo，该复合材料是由TiAl相和Mo相组成，并含有少量的Ti3Al相；采用三点弯曲方法测定其弯曲强度，在室温条件下，试验一得到的连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的弯曲强度达为 740MPa，800°C下仍可达到 736MPa。
权利要求
1.一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料，其特征在于连续Mo纤维增强TiAl基复合材料由连续Mo纤维增强相和TiAl基体组成；其中，Mo纤维的体积百分比为1(Γ50νΟ1. % ；TiAl基体中的Ti元素与Al元素的摩尔比为f I. 5:1。
2.如权利要求I所述的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法按以下步骤进行 一、按质量份数称取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粉末与Al粉末的摩尔比为f I. 5:1 ； 二、将步骤一称取的聚甲基丙烯酸甲酯加入到丙酮中，搅拌溶解，制备聚甲基丙烯酸甲酯质量百分含量为15. 39Γ20. 2%的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液，再加入步骤一称取的Ti粉末和Al粉末的混合粉末继续搅拌至形成均匀悬浊液，得到粉末浆料； 三、采用纤维缠绕机，以铝板为载体，将Mo纤维以O.12^0. 3mm的间距缠绕在铝板上，在其上方涂覆步骤二得到的粉末浆料，涂覆厚度为O. 24、. 6mm,自然条件下，待粉末浆料中的丙酮挥发，粉末浆料固化，得到包覆有复合材料预制体的铝板；其中，Mo纤维的直径为O.08^0. 18mm ； 四、以步骤三得到的包覆有复合材料预制体的铝板为载体，按步骤三的方法重复操作1(Γ40次，然后对其进行线切割，以分离铝板和复合材料预制体，得到复合材料预制体；；其中，复合材料预制体中Mo纤维的体积百分比为5 25vol. % ； 五、采用热压烧结法，在真空热压烧结炉内，以石墨为模具，将步骤四得到的复合材料预制体按以下步骤进行烧结a、将步骤四得到的复合材料预制体在压力为5 10Mpa的条件下，从室温升至36(T390°C，并在该条件下保持O. 8 2h ;b、增加压力至2(T40MPa，升温至68(T720°C，并在该条件下保持l(T40min ;c、保压升温至1000-1200°C，并在该条件下保持r4h ;d、随炉冷却至室温，得到连续Mo纤维增强TiAl基复合材料；其中，热压烧结过程中的真空度为10_2Pa，升温速率为8 15°C /min。
3.根据权利要求2所述的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中按质量份数称取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粉末与Al粉末的摩尔比为53:47。
4.根据权利要求2所述的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中制备聚甲基丙烯酸甲酯的质量百分含量为17. 4%的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液。
5.根据权利要求2所述的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中将Mo纤维以O. 2mm的间距缠绕在铝板上。
6.根据权利要求2所述的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中涂覆厚度为O. 4mm。
7.根据权利要求2所述的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤五的a步骤中在压力为SMPa的条件下从室温升至380°C，并在该条件下保持lh。
8.根据权利要求2所述的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤五的b步骤中增加压力至30MPa，升温至700°C，并在该条件下保持30min。
9.根据权利要求2所述的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤五的c步骤中保压升温至1100°C，并在该条件下保持2h。
10.根据权利要求2、7、8或9所述的一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于步骤五中升温速率为10°C /min。
全文摘要
一种连续Mo纤维增强TiAl基复合材料及其制备方法，它涉及一种复合材料及其制备方法。本发明是要解决现有TiAl合金的室温脆性和高温下强度不足以及现有的连续纤维增强TiAl基复合材料的制备方法复杂、效率低、成本高的问题。本发明的连续Mo纤维增强TiAl基复合材料由连续Mo纤维增强体和TiAl基体组成。制备方法首先，配制粉末浆料；然后，采用粉末浆料铸造法制备预制体并对其切割；最后，进行真空热压烧结，得到连续Mo纤维增强TiAl基复合材料。本发明制备的复合材料室温韧性好且高温下强度高，制备方法简单、效率高、成本低。本发明适用于连续纤维增强TiAl基复合材料的生产。
文档编号C22C111/02GK102796972SQ20121033637
公开日2012年11月28日 申请日期2012年9月12日 优先权日2012年9月12日
发明者孙东立, 周毅, 王清, 韩秀丽, 武高辉 申请人:哈尔滨工业大学