[发明专利]纤维增强金属间化合物复合材料及其制备成型的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种连续纤维增强金属间化合物复合材料及其制备成型的方法。

背景技术

大推重比发动机和高速飞行器的轻型化及超高速化要求其结构件具有更优异的高温性能(高温强度、蠕变)和抗氧化、耐腐蚀性能，同时还要求密度小，以降低自身的重量，提高发动机有效推重比。目前，以传统方法生产的镍基高温合金的使用温度已接近它们的使用极限温度，加之其过高的比重已不适应现代技术要求。Ti-Al系金属间化合物具有优异的抗氧化性和抗腐蚀能力，比较低的密度和高的熔点，是研究者所期待的高温材料之一，但是Ti-Al系金属间化合物脆性大、成型难、焊接难、制备工艺复杂成本高，这些问题制约了金属间化合物的使用。另一方面，金属基复合材料的发展使人们看到，利用纤维与金属间化合物进行复合，制成纤维增强、增韧金属间化合物基复合材料，是金属间化合物材料走出困境的技术途径，有人预言，轻质金属间化合物复合材料将成为未来最有前途的新型轻质耐高温材料。

金属间化合物复合材料制备方法有多种，例如，粉末冶金法、压铸法、快速凝固法、燃烧合成法、XD法(放热扩散法)等，这些方法只适用于制备颗粒增强的复合材料，而长纤维增强金属间化合物复合材料的制备方法目前有粉末布法、箔叠纤维法、火焰(弧焰)喷射成型法、等离子喷涂法、物相沉积法和压力铸造法等。

粉末布法是先要制备金属间化合物，再将其研磨成粉末，粉末用粘合剂粘合再制成布片状，将布片与纤维交叠高温成型，温度在金属间化合物熔点附近，温度高，反应时间长，对模具等设备要求高，因此成本高，同时对纤维损伤大，如果粘合剂和溶液不能彻底去除，会留下有害杂质。

箔叠纤维法是先将脆性的金属间化合物轧制成箔材，再将箔片与纤维交叠铺设再真空热压制成。这种方法具有基体材料完全致密，无粘合剂污染的优点，但是TiAl金属间化合物属于脆性材料，轧制TiAl箔材工艺难度高，价格昂贵，限制了其发展，加之由于TiAl合金变形能力差，纤维容易损伤，不易与纤维紧密结合，在固化温度和时间内，TiAl基体与纤维易发生不良反应，同时，由于工艺方法的限制只能制成板状材料和简单形状。

火焰(弧焰)喷射成型法是在真空中将金属间化合物熔滴溅射到铺设好的纤维上，再热压成型。优点是复合材料干净、高纯；但产品的尺寸受真空室的限制，作为电极的材料必须是线材，这对脆性的金属间化合物而言是很难办到的。

等离子喷涂法是将钛铝金属间化合物粉体通过等离子喷涂的方式喷涂到纤维表面，再进行真空热压成型。缺点是粉末直径小，在高温下氧含量高，对于活泼的金属间化合物而言，氧化问题更加严重，这一工艺方法需要控制的参数较多，难度很大。

物相沉积法是用电子束蒸发沉积的方式在纤维表面涂层的方法。成本极高，电子束蒸发沉积的涂层成分难以控制，磁控溅射的沉积速率很慢，不适合于规模化生产。

压力铸造法是一种有效的制造纤维增强金属基复合材料的工艺技术，目前已经成功地制造Al，Mg，Ni及Ni-Al系化合物基复合材料，该方法在真空条件下进行，大致工艺是：先把纤维制成预制件放在一个加热的陶瓷铸模里，以金属间化合物为基体合金将其在特殊熔炼装置中熔化，然后把熔化的金属间化合物基体材料倒入装有纤维预制件的铸模里之后，通入高压氩气，迫使液体金属渗入纤维间隙中，从而制成密实的复合材料。采用该法可以制造近净成型的零部件，生产效率高，具有良好的发展前景，缺点是真空气压装备复杂、昂贵，熔炼金属间化合物需要使用特殊的耐高温坩埚和铸模，对于活性较大的钛铝金属间化合物来说，制造过程中会带来污染，影响复合材料的性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现行纤维增强金属间化合物复合材料方法中制备装备复杂、工艺成本高、难以实现复杂形状成型等问题，提供了一种纤维增强金属间化合物复合材料及其制备成型的方法。本发明先用钛粉和纤维混合制成具有一定形状、规格的预制体，再利用压力浸渗方法将熔融的铝合金浸渗到预制体间隙中，同时使高温液态铝合金与钛粉反应生成钛铝金属间化合物。本发明制备工艺简单、成本低、杂质含量少，纤维损伤小，可保持其连续性并可根据实际需要实现材料设计、制造与构件一体化成型。