本发明属于复合材料技术领域；具体涉及一种tial/tmcs层状复合材料的制备方法。
背景技术：
tial基合金以低密度、高比刚度、高比强度和良好的高温性能等优点能够满足未来航空航天超音速飞行器对结构减重和高温强度的双重要求，是21世纪最具发展潜力的耐热轻质结构材料之一。目前航空高性能涡轮发动机和热防护系统对于高性能的tial基合金需求迫切。然而tial基合金室温强度低，韧性差，且难以变形加工，极大地限制了其实用化进程。当前提高tial基合金的室温性能方法主要包括合金化法和形变热处理法等，虽然一定程度上改善了tial基合金的室温性能，但是工艺复杂，制备成本高周期长，最为重要的是依然无法解决其强度-塑性(韧性)倒置问题，即若强度提高，则塑性降低。
技术实现要素：
本发明要在保持或略降低tial基合金高温性能的基础上，解决现有tial基合金的室温强度低与韧性差的双重难题；本发明提供了一种tial/tmcs层状复合材料的制备方法。
本发明将钛基复合材料(tmcs)与tial基合金进行复合，同时发挥了tial基合金的高温性能与钛基复合材料的室温性能两大优势，实现1+1＞2的效果。
本发明利用低能球磨获得钛基复合材料粉末，随后将钛基复合材料粉末与商业tial基合金粉末交替叠层铺粉获得tial/tmcs层状粉体坯料，再利用放电等离子体烧结技术(sps)制备tial/tmcs层状复合材料。
本发明的tial基合金层与钛基复合材料层交替排列构成层状结构材料，tial基合金层作为耐热层可以保证tial/tmcs层状复合材料的高温性能，而钛基复合材料层作为塑性层可以保障tial/tmcs层状复合材料的塑性和韧性。本发明的tial/tmcs层状复合材料与tial基合金相比，在不明显降低高温性能的条件下，同时获得比tial基合金更好的室温强度与韧性；sps烧结实现快速升温和降温，有利于控制层间界面反应与细化微观组织。
为解决上述技术问题，本发明的一种tial/tmcs层状复合材料的制备方法具体是按下述步骤进行的：
步骤一、首先利用低能球磨将钛合金粉末与增强相颗粒混合均匀，获得钛基复合材料(tmcs)粉末；
步骤二、随后将tial合金粉末与tmcs粉末交替分层均匀铺设于石墨模具中，获得tial/tmcs层状粉体坯料；
步骤三、最后对步骤二获得的层状粉体坯料进行放电等离子体烧结(sps)，即制得tial/tmcs层状复合材料。
进一步地限定，步骤一所述增强体为tib2、c、tic、b4c、b、sic中的一种或其中几种的任意比混合。
进一步地限定，步骤一所述tial合金粉末为tial基合金粉末、ti3al基合金粉末中的一种或几种的任意比混合。
进一步地限定，步骤一所述tmcs粉末中增强相颗粒含量≤5vol.％。
进一步地限定，步骤二中tial合金粉末每层铺设的厚度一般控制在2mm以下。
进一步地限定，步骤二中tmcs粉末每层铺设的厚度一般控制在2mm以下。
进一步地限定，步骤二中依据设计的tial/tmcs层状复合材料中各个组元层(tial基合金层与tmcs层)的厚度，利用m＝ρ×πr2×h(公式1)分别计算出单层厚度的tial基合金所需要的原始tial基预合金粉末质量即单份tial基预合金粉末质量，以及单层厚度的tmcs所需要的原始tmcs粉末质量即单份tmcs粉末质量；
公式1中m—粉末的质量(g)；ρ—粉末的密度(g/cm3)；r——所用模具半径(cm)；h——粉层厚度(cm)，通过调节原材料粉末种类与各种原材料粉末的相对质量，可以调控tial/tmcs层状复合材料的成分(包括增强体含量等)与组元层厚度，不需要预先单独制备各层材料，而是直接通过sps烧结制备出致密的tial/tmcs层状复合材料。
进一步地限定，步骤三中放电等离子体烧结具体是按下述操作进行的：将装有tial/tmcs层状粉体坯料的石墨模具置于sps烧结炉中，封闭炉体同时抽真空，当炉体的真空度达到10-2pa时，开始施加10mpa压力进行预压，随后以50～100℃/min的速率进行升温至1000℃，此时开始逐渐升高压力，当炉内温度达到烧结温度为1000～1300℃时，将压力升高至30～70mpa，然后同时保温保压10～50min；当保温结束时，快速冷却至500℃，撤除压力，随炉冷却至室温。
进一步地限定，步骤二中铺设粉末用的叠层铺粉装置包括端帽1、端头2、伸缩杆3、固定板4、上连接杆5、下连接杆6、分样筛7、l形挡板8、直挡板9、x向震动器10和y向震动器11；
所述端帽1的纵截面呈凸字形，端帽1上端沿轴轴心线方向设有通孔，端帽1下端设置内凹槽，通孔底部与内凹槽顶部连通；
所述端头2插入端帽1的内凹槽且与端帽1固定连接，端头2内沿轴心线方向设有通孔；
所述伸缩杆3的底端穿过端帽1和端头2的通孔且伸出端头2的底部，伸缩杆3与端帽1通过螺栓限位，伸缩杆3的底端与固定板4可拆卸连接；
所述端头2外壁上部均匀设置有6个上连接杆5，每个上连接杆5的顶端与端头2铰接，上连接杆5的底端与间隔设置的直挡板9和l形挡板8的上部铰接；
所述端头2外壁每个上连接杆5正下方铰接有下连接杆6，下连接杆6与上连接杆5平行设置，每个下连接杆6的底端穿过固定板4上的限位孔，下连接杆6的底端与间隔设置的直挡板9和l形挡板8的中部铰接，
所述直挡板9的下部设有x向震动器10(水平方向振动)，l形挡板8水平部分的顶面设置有y向震动器11(垂直方向振动)，
所述x向震动器10可抵在分子筛7的外壁上，y向震动器11可抵在分子筛7的底部；
所述端帽1外壁上相对称的位置固定连接有横向支撑杆12，横向支撑杆12的另外一端与伸缩支撑柱13的顶端固定连接，伸缩支撑柱13底部与支撑座14固定连接；
所述分样筛7的直径大于石墨模具15的外径，分样筛7放置在石墨模具15上，分样筛7底部沿轴心线方向设置下限位圈72，下限位圈72的直径比石墨模具15的膜腔151的直径大2～4mm，分样筛7的底部内侧沿轴心线方向设置设置有上限位圈71，上限位圈71直径为石墨模具15膜腔151的直径相等。
本发明采用上述叠层铺粉装置进行机械铺设粉末过程：用光电分析天平称量tib2/tc4混合粉末铺撒在分样筛7的上限位圈71内，并启动全部x向震动器10使混合粉末均匀分布在筛网上；最后同时开启全部x向震动器10和y向震动器11，带动分样筛7在竖直方向上震动，保证粉末通过筛网漏到石墨模具15中。待粉末全部漏入石墨模具15后关闭所有震动器，单层tib2/tc4混合粉末铺粉结束。再用光电分析天平称量ti-46al-2cr-2nb预合金粉末铺撒在分样筛7的上限位圈71内，并启动全部x向震动器10使混合粉末均匀分布在筛网上；最后同时开启全部x向震动器10和y向震动器11，带动分样筛7在竖直方向上震动，保证粉末通过筛网漏到石墨模具15中。待粉末全部漏入模腔151后关闭所有震动器，单层ti-46al-2cr-2nb预合金粉末铺粉结束。重复上述过程，获得层状粉末坯体；采用机械叠层铺粉装置与传统手动铺粉相比，粉末的单层厚度尺寸、层厚均匀性显著改善，而且铺粉效率大大提高。
本发明方法实现快速升温和降温，能够有效抑制tial/tmcs层状复合材料的微观组织粗化，减少各组元的层间界面反应，有利于控制层间界面反应即可最大限度保留tmcs层作为塑性层，同时快速升降温有利于获得组织细小的tial基合金层与tmcs层，在不明显降低高温性能的条件下，同时获得比tial基合金更好的室温强度与韧性。
本发明通过低能球磨混粉-交替叠层铺粉-sps烧结的方式制备获得tial/tmcs层状复合材料，塑性的tmcs层与脆性的tial基合金层是通过机械交替叠层铺粉结合sps烧结的方式直接获得，不需要预先制备各层材料，简化了制备工艺路径、节约了工艺成本。
本发明塑性层与脆性层材料种类选择范围宽，通过调节脆性层、塑性层的种类与层厚比、塑性层中增强体的种类与含量，实现tial/tmcs层状复合材料的组织成分与力学性能的可调控。
附图说明
图1是铺设粉末用的叠层铺粉装置的结构示意图；
图2是分样筛与石墨模具装配示意图；
图3是放电等离子体烧结(sps)过程示意图；
图4是400(2vol.％tib/tc4)-400tial层状复合材料的实物图；
图5是400(2vol.％tib/tc4)-400tial层状复合材料的微观组织形貌，图中(a)典型层状结构的(tib/tc4)-tial扫描照片，(b)界面反应情况(ti3al反应层＜5μm)；
图6是400(2vol.％tib/tc4)-400tial层状复合材料的裂纹扩展路径；
图7是800(2vol.％tib/tc4)-400tial层状复合材料微观组织形貌；
图1和2中，1——端帽，2——端头、3——伸缩杆，4——固定板，5——上连接杆，6——下连接杆，7——分样筛，71——上限位圈，72——下限位圈，8——l形挡板，9——直挡板，10——x向震动器，11——y向震动器，12——支撑杆，13——伸缩支撑柱，14——支撑座，15——石墨模具，151——膜腔，16——压头，17——样品。
具体实施方式
实施例1：本实施例制备400(2vol.％tib/tc4)-400tial层状复合材料。
本实例选择的塑性层为体积含量为2％的tib增强的钛基复合材料(2vol.％tib/ti)，脆性层为ti-46al-2cr-2nb金属间化合物基合金(tial基合金)，利用低能球磨混粉-交替叠层铺粉-sps烧结法制备综合力学性能优良的(2vol.％tib/tc4)-tial层状复合材料，采用叠层铺粉装置进行铺粉，结合图1和2进行说明，本实施例的步骤二中铺设粉末用的装置(如图1和2所示)包括端帽1、端头2、伸缩杆3、固定板4、上连接杆5、下连接杆6、分样筛7、l形挡板8、直挡板9、x向震动器10和y向震动器11；
所述震动器由震动马达，外壳，电源组成，震动马达功率为0.8w，电压3v，震动器外壳为塑料外壳，电源为两节1.5v锂离子纽扣电池；
所述分样筛的孔径尺寸等于塑性层粉末以及脆性层粉末的最大粒径；
所述端帽1的纵截面呈凸字形，端帽1上端沿轴轴心线方向设有通孔，端帽1下端设置内凹槽，通孔底部与内凹槽顶部连通；
所述端头2插入端帽1的内凹槽且与端帽1通过焊接固定连接，端头2内沿轴心线方向设有通孔；
所述端头2为正六棱柱形状，内凹槽形状与端头2相对应，所述端头和端帽为不锈钢材料；
所述伸缩杆3的底端穿过端帽1和端头2的通孔且伸出端头2的底部，伸缩杆3与端帽1通过螺栓限位，伸缩杆3的底端与固定板4通过螺栓固定；
所述端头2外壁上部均匀设置有6个上连接杆5，每个上连接杆5的顶端与端头2铰接，上连接杆5的底端与间隔设置的直挡板9和l形挡板8的上部铰接；
所述端头2外壁每个上连接杆5正下方铰接有下连接杆6，下连接杆6与上连接杆5平行设置，每个下连接杆6的底端穿过固定板4上的限位孔，下连接杆6的底端与间隔设置的直挡板9和l形挡板8的中部铰接；
所述直挡板9的下部设有x向震动器10(水平方向振动)，l形挡板8水平部分的顶面设置有y向震动器11(垂直方向振动)；
所述挡板与震动器通过粘接固定；所述l形挡板8、直挡板9、上连接杆5和下连接杆6均为铝合金；
所述x向震动器10可抵在分子筛7的外壁上，y向震动器11可抵在分子筛7的底部；所述端帽1外壁上相对称的位置通过焊接固定连接有横向支撑杆12(不锈钢管)，横向支撑杆12的另外一端与伸缩支撑柱13的顶端通过焊接固定连接，伸缩支撑柱13底部与支撑座14(不锈钢中空底座)固定连接所述伸缩支撑柱13；所述伸缩支撑柱13由不锈钢管制成组成；
所述分样筛7的直径大于石墨模具15的外径，分样筛7底部沿轴心线方向设置下限位圈72(材料为铝合金)，下限位圈72的直径比石墨模具15的膜腔151的直径大2mm，分样筛7放置在石墨模具15上且下限位圈72与石墨模具15的顶部接触，分样筛7的底部内侧沿轴心线方向设置设置有上限位圈71(材料为塑料)，上限位圈71直径为石墨模具15膜腔151的直径相等。
本实施例具体制备过程如下所述：
步骤一、低能球磨混粉：本实例中2vol.％tib/ti复合材料层是通过tib2颗粒与商业tc4钛合金粉末先经过低能球磨混粉再在后续的sps烧结过程中原位自生反应获得的。因此首先要将tib2颗粒与商业tc4钛合金粉末通过球磨混合均匀，具体过程如下：由于设计的最终(2vol.％tib/tc4)-tial层状复合材料中tib/tc4复合材料粉层厚度为400μm，并且tib体积含量为2％，因此可以计算出为获得400μm厚的tib/tc4复合材料层所需的原始tib2/tc4混合粉末质量为5.11g，通过计算tib2颗粒的质量分数为1.2wt.％，由此获得tc4钛合金粉末质量为5.049g，tib2颗粒的质量为0.061g(其中ρtc4＝4.52g/cm3，ρtib2＝4.45g/cm3)。由于设计的tib/tc4复合材料的层数为12层，因此，tc4钛合金粉末总质量为60.588g，tib2颗粒的质量为0.732g。用光电分析天平称量60.588g的tc4钛合金粉末和0.732g的tib2颗粒，同时放入qm-1sp4型行星式球磨罐中，再加入245.280g的gcr15轴承钢球作为球磨介质，氩气气氛中进行球磨。球磨工艺为：转速为150rpm球磨时间为5h，球料比为4:1。混合均匀的tib2/tc4混合粉末取出后置于真空手套箱中待用。
步骤二、交替叠层铺粉：sps烧结采用的石墨模具内径d＝60mm，tial基合金层厚度h＝400μm，tial基合金密度为ρtial＝3.8g/cm3，因此依据公式(1)计算出单层tial基合金所需要的ti-46al-2cr-2nb预合金粉末单份质量mtial为4.30g。而由步骤一可知，为获得400μm厚的tib/tc4复合材料层所需的原始tib2/tc4混合粉末单份质量为5.11g。
首先，依据发明内容中步骤二的操作将sps烧结石墨模具与自制的叠层铺粉装置按照图1进行装配好待用；其次，用光电分析天平称量5.11g的tib2/tc4混合粉末铺撒在分样筛7的上限位圈71内，并启动全部x向震动器10使混合粉末均匀分布在筛网上；最后同时开启全部x向震动器10和y向震动器11，带动分样筛7在竖直方向上震动，保证粉末通过筛网漏到石墨模具15的膜腔151中。待粉末全部漏入膜腔151后关闭所有震动器，单层tib2/tc4混合粉末铺粉结束。再用光电分析天平称量4.30g的ti-46al-2cr-2nb预合金粉末铺撒在分样筛的上限位圈内，并启动全部x向震动器10使混合粉末均匀分布在筛网上；最后同时开启全部x向震动器10和y向震动器11，带动分样筛7在竖直方向上震动，保证粉末通过筛网漏到石墨模具15的膜腔151中。待粉末全部漏入的膜腔151后关闭所有震动器，单层ti-46al-2cr-2nb预合金粉末铺粉结束。重复上述过程，获得(2vol.％tib/tc4)-tial层状粉末坯体。
步骤三、sps烧结：将程序二获得的(2vol.％tib/tc4)-tial层状粉末坯体同石墨模具一起置于sps结炉(如图3所示)中并封闭炉体同时抽真空，当炉体的真空度达到10-2pa时，开始施加10mpa压力进行预压，目的是提高层状粉体坯料的致密度便于后续烧结；随后以100℃/min的速率进行快速升温至1000℃，此时开始逐渐升高压力，当炉内温度达到烧结温度(1250℃)时，将压力升高至50mpa，同时保温保压10min；当保温结束时，快速冷却至500℃，撤除压力，随炉冷却至室温，最终制备出全致密的400(2vol.％tib/tc4)-400tial层状复合材料，实物如图4所示。微观组织如图5所示。由图5a可知，(2vol.％tib/tc4)-tial复合材料呈现典型的层状结构特征，由400μm厚的(2vol.％tib/tc4)复合材料层与400μm厚的tial基合金层交替排列构成，并且tib/tc4复合材料层与tial基合金层界面反应被很好控制，只发生轻微界面反应，界面反应层厚度约为5μm，如图5b所示。400(2vol.％tib/tc4)-400tial层状复合材料的力学性能测试表明：其抗拉强度达到580mpa，抗弯强度为988mpa，断裂韧性值最高达36.2mpa·m1/2，在脆性的tial基合金中引入塑性的tib/tc4复合材料，其室温韧性和强度显著改善，达到了预期效果。其断裂过程裂纹扩展路径如图6所示。
实施例2：本实施例制备800(2vol.％tib/tc4)-400tial层状复合材料，本实例中，与实例1的区别在于塑性层2vol.％tib/tc4复合材料层的厚度由400μm变成800μm，因此2vol.％tib/tc4混合粉末的单份质量增加至10.22g，而脆性的tial基合金层的厚度不变。其它步骤和参数与实施例1相同。
本实施例制备的800(2vol.％tib/tc4)-400tial层状复合材料的微观组织如图7所示。由图7可知，(2vol.％tib/tc4)-tial复合材料呈现典型的层状结构特征，由800μm厚的(2vol.％tib/tc4)复合材料层与400μm厚的tial基合金层交替排列构成。800(2vol.％tib/tc4)-400tial层状复合材料的力学性能测试表明：其抗拉强度为647mpa，抗弯强度高达1460mpa，断裂韧性值最高达53mpa·m1/2，由此可见，通过调节塑性的tib/tc4复合材料层厚度，其室温韧性和强度能够进一步显著提高，因此，利用本发明开发的叠层铺粉结合sps烧结技术可以制备综合力学性能优良的tial/tmcs层状复合材料，可以为航空航天提供一种高强、轻质、耐热的结构材料，达到了预期效果。