一种原位双相双尺度协同增强TiAl基复合材料及制备方法

一种原位双相双尺度协同增强tial基复合材料及制备方法
技术领域
1.本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种原位双相双尺度协同增强tial基复合材料及制备方法。


背景技术：

2.tial基合金作为一种新型的高温材料之一，具有比强度高、质量轻、耐高温等优异性能。与钛合金和镍基合金相比，tial基合金拥有更大的优越性，它可以很好地满足航空工业的快速发展需求，正受到国内外科研工作者越来越多的关注。然而，tial基合金固有的室温塑性差、800℃以上高温强度及抗氧化性不足等缺点，严重的限制了其在工程上的应用。为此，国内外学者进行了大量的研究，主要利用复合技术制备出了包含有各种增强相的tial 基复合材料，在保持tial基合金诸多优良性能的同时，又保留了增强相的一些优点。通过复合材料技术，利用连续纤维增强或者非连续的短纤维、晶须及颗粒来增强tial基合金，获得综合性能优异的tial基复合材料，已经成为tial基合金发展的主要趋势。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种原位双相双尺度协同增强tial基复合材料的方法。该方法利用b原子和n原子在基体合金中扩散路径不同制备双相双尺度协同增强tial基复合材料。在放电等离子烧结过程中，b原子以晶界扩散为主，最终能够在晶界处形成tib2晶须，而n原子主要沿着α2/γ板条扩散，固溶于α相和γ相的间隙位置，冷却形成纳米级氮化物ti2aln并均匀析出。本发明实现了在tial基复合材料中同时引入双相双尺度第二相，能够有效改善tial基复合材料性能。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
5.第一方面，本发明提供了一种原位双相双尺度协同增强tial基复合材料制备方法，其做法为：将bn和tial合金粉末按比例混合后进行机械球磨混合得到混合粉末，然后对混合粉末进行放电等离子烧结，冷却后得到原位双相双尺度协同增强tial基复合材料。
6.作为优选，所述tial合金粉末的成分按原子百分比计为al：44～48％；nb：2～8％； cr：0～2％；v：0～3％；mo：0～2％，其余为ti。
7.作为优选，所述混合粉末中bn的质量分数为0.1～1wt％。
8.作为优选，所述放电等离子烧结温度1250～1350℃，保温时间为5～10min，压力 30～45mpa。
9.作为优选，所述机械球磨过程中，球料比为3:1。
10.第二方面，本发明提供了一种根据上述第一方面任一方案所述制备方法得到的原位双相双尺度协同增强tial基复合材料，所述复合材料为全片层结构，片层团与片层团之间的晶界上分布有微米尺度的tib2晶须，而α2相和γ相形成的α2/γ板条间隙处弥散分布有纳米尺度的ti2aln增强相。
11.作为优选，所述tib2晶须的尺寸为10～20μm。
12.作为优选，所述ti2aln增强相的尺寸为100～200nm。本发明与现有技术相比具有以下优点：
13.1、本发明利用bn纳米片中b原子和n原子在tial基体合金中扩散路径不同制备双相双尺度协同增强tial基复合材料。在放电等离子烧结过程中，b原子以晶界扩散为主，最终能够在晶界处形成tib2晶须，而n原子主要沿着α2/γ板条扩散，固溶于α相和γ相的间隙位置，经冷却形成纳米级氮化物ti2aln并均匀析出。本发明实现了在tial基复合材料中同时引入双相双尺度第二相，能够有效改善tial基复合材料性能。
14.2、本发明利用放电等离子烧结法同时在tial基复合材料晶界处和α2/γ板条间原位析出双相双尺度第二相，在高温下能够有效阻碍o原子通过晶界及α2/γ板条间隙向材料内部扩散，减少tial基复合材料的高温氧化，延长复合材料使用寿命。
15.3、本发明可通过控制bn添加量及烧结参数来调整tib2和ti2aln的生成数量及分布，灵活方便，简单有效，整个过程操作简单，易于实行，提高了本发明方法的应用价值。
附图说明
16.图1是本发明实施例1中制备的双相双尺度协同增强tial基复合材料的sem图(200
×
)，图中lamellae表示片层。
17.图2是本发明实施例1中制备的双相双尺度协同增强tial基复合材料的sem图 (2000
×
)。
具体实施方式
18.下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
19.本发明中提供了一种原位双相双尺度协同增强tial基复合材料的制备方法，该方法以 bn为合成tib2、ti2aln的b源和n源，将一定比例的bn和tial合金粉末进行机械球磨混合得到混合粉末，然后对混合粉末进行放电等离子烧结，冷却后得到原位双相双尺度协同增强tial基复合材料。
20.本发明的制备过程中，利用bn中两种原子在tial合金中的扩散特点及放电等离子烧结具备的快速升温和冷却、致密化程度高、过程易控制等特点，b原子在高温下主要沿着晶界扩散并团聚在晶界处，最终形成微米级tib2钉扎在晶界处；n原子则主要沿着α2/γ板条扩散，并固溶于α相和γ相的间隙位置，最终经冷却析出纳米级氮化物ti2aln。由此，本发明最终制得了钉扎在晶界处的微米级tib2和弥散分布在α2/γ板条中的纳米级ti2aln协同增强的tial基复合材料，为tial基复合材料的发展和应用提供了新思路。
21.上述tial合金粉末的成分按原子百分比计为al：44～48％；nb：2～8％；cr：0～2％；v： 0～3％；mo：0～2％，其余为ti。具体的tial合金成分可以根据实际进行优化调整。通过对 tial合金成分的调控，可以优化合金组织，有利于第二相与基体的复合，得到性能优异的 tial基复合材料。
22.上述混合粉末中bn纳米片的质量分数为0.1～1wt％，既避免了含量过少导致析出相过少且不均匀，又避免了含量过多不利于粉末均匀混合而发生析出相团聚。在该范围内，tib2 和ti2aln的含量随着bn纳米片的质量分数的增加而增加，因此可以通过控制混合粉末中 bn质量分数，实现对tib2和ti2aln含量的调控，得到性能优异的原位双相双尺度协同
增强tial基复合材料。
23.上述放电等离子烧结过程中，烧结温度为1250～1350℃，保温时间为5～10min，烧结压力为30～45mpa。通过对烧结参数的调控，避免了析出相晶粒异常长大，得到了细小、弥散分布的双相双尺度协同增强tial基复合材料，进一步提高了tial基复合材料的性能。
24.上述方法制备得到的原位双相双尺度协同增强tial基复合材料为全片层结构，晶界处分布着tib2晶须，其尺寸通常为10～20μm；α2/γ板条中弥散分布着纳米级ti2aln颗粒，其尺寸通常为100～200nm。两种增强相均对tial基复合材料具有强化作用，其中晶界处的 tib2晶须通过对晶界的钉扎作用，阻碍晶粒变形达到强化目的，α2/γ板条中的纳米级ti2aln 通过与位错的交互作用强化tial基复合材料，两种尺度、两种类别的第二相在tial基复合材料的晶界处和α2/γ板条中分别析出，能够更加有效的改善tial基复合材料的性能。
25.下面通过若干实施例来展示本发明的具体技术效果。
26.实施例1
27.本实施例中，原位双相双尺度协同增强tial基复合材料的制备方法为：将0.3gbn纳米片和99.7gti
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48al
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2nb
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2cr合金粉末置于机械球磨的球磨罐中，在球料比为3:1的条件下以300r/min进行机械球磨混合360min，得到混合粉末。将混合粉末在温度为1300℃，压力为45mpa条件下进行放电等离子烧结5min，得到原位双相双尺度协同增强ti
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48al
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2nb
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2cr 基复合材料。
28.图1、图2分别是本实施例制备的双相双尺度协同增强ti
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48al
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2nb
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2cr基复合材料 200
×
、2000
×
的sem显微组织图。从图1可以看出复合材料为致密的全片层结构，且片层团尺寸分布在100～200μm，图2为复合材料部分区域显微组织放大图。从图1、图2可以明显看出，本实施例的双相双尺度协同增强ti
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48al
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2nb
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2cr基复合材料的片层团与片层团之间的晶界上钉扎着10～20μm长的tib2晶须，而α2相和γ相形成的α2/γ板条间隙处弥散分布着100～200nm范围的ti2aln增强相。
29.实施例2
30.本实施例中，原位双相双尺度协同增强tial基复合材料的制备方法为：将1gbn纳米片和99gti
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48al
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2nb
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2cr合金粉末置于机械球磨的球磨罐中，在球料比为3:1的条件下以 300r/min进行机械球磨混合360min，得到混合粉末。将混合粉末在温度为1250℃，压力为 45mpa条件下进行放电等离子烧结10min，得到原位双相双尺度协同增强ti
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48al
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2nb
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2cr 基复合材料。
31.同样的，本实施例得到的全片层结构的复合材料的片层团与片层团之间的晶界上分布有微米尺度的tib2晶须，而α2相和γ相形成的α2/γ板条间隙处弥散分布有纳米尺度的 ti2aln增强相。
32.实施例3
33.本实施例中，原位双相双尺度协同增强tial基复合材料的制备方法为：将0.1gbn纳米片和99.9gti
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48al
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2nb
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2cr合金粉末置于机械球磨的球磨罐中，在球料比为3:1的条件下以300r/min进行机械球磨混合360min，得到混合粉末。将混合粉末在温度为1300℃，压力为40mpa条件下进行放电等离子烧结8min，得到原位双相双尺度协同增强ti
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48al
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2nb
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2cr 基复合材料。
34.同样的，本实施例得到的全片层结构的复合材料的片层团与片层团之间的晶界上分布有微米尺度的tib2晶须，而α2相和γ相形成的α2/γ板条间隙处弥散分布有纳米尺度的 ti2aln增强相。
35.实施例4
36.本实施例中，原位双相双尺度协同增强tial基复合材料的制备方法为：将0.5gbn纳米片和99.5gti
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45al
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8nb合金粉末置于机械球磨的球磨罐中，在球料比为3:1的条件下以300r/min进行机械球磨混合360min，得到混合粉末。将混合粉末在温度为1350℃，压力为 30mpa条件下进行放电等离子烧结10min，得到原位双相双尺度协同增强ti
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45al
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8nb基复合材料。
37.同样的，本实施例得到的全片层结构的复合材料的片层团与片层团之间的晶界上分布有微米尺度的tib2晶须，而α2相和γ相形成的α2/γ板条间隙处弥散分布有纳米尺度的 ti2aln增强相。
38.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。