[发明专利]一种制备Nb/TiAl复合材料的新方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属间化合物基金属复合材料制备技术领域，特别涉及一种制备具有层状互联结构的TiAl金属间化合物增强Nb基复合材料的方法。

背景技术

先进推进技术的发展迫切需要能在1100℃以上高温和复杂载荷条件下保持刚度和强度的质轻耐久关键部件。以Nb、Ti、Al为主元的金属(金属间化合物)基复合材料成为近年来研究和关注的热点之一，其中Nb的高熔点、高强度以及加工性能好与TiAl金属间化合物的低密度、良好的抗氧化性能相结合能够满足高强、轻质、耐热的使用要求。技术上，国内外已发展的针对以Nb、Ti、Al为主元的金属(金属间化合物)基复合材料的制备方法有粉末冶金法、叠层法、机械合金化、熔铸法、原位合成，高温自蔓延等。本发明通过一种复合制备的新方法获得具有三维网络互联结构的Nb/TiAl复合材料。

发明内容

本发明的目的是：提供一种制备Nb/TiAl复合材料的新方法，获得具有三维网络互联结构的Nb/TiAl复合材料，从制备方法上降低制备成本的同时，充分利用TiAl金属间化合物的特性弥补Nb高温抗氧化性能极差的缺陷，获得抗氧化能力强、力学性能好且使用寿命长的复合材料。本发明的技术设想原理是：利用冷冻铸造方法制备层状互联结构的金属Nb预制体，将预制体在合适的温度下真空烧结使其具有一定的强度，然后无压熔渗TiAl合金，获得具有三维网络互联结构的Nb/TiAl复合材料。基于上述原理，实现本发明的技术方案是：

(a)将Nb粉按设计体积比与水混合，并加入适量分散剂和冷冻调节剂，球磨48小时获得用于冷冻铸造的浆料，浆料中Nb粉的体积百分含量为5%—20%；

(b)将浆料真空除气泡后灌入聚四氟乙烯管状模具，管状模具底部采用导热率高的铜合金或铍铝合金底座；

(c)对浆料实施冷冻，获得冷冻体，浆料的冷冻温度范围为-5℃—-196℃；

(d)利用干燥机冷冻体进行干燥，获得多孔层状互联Nb预制体；

(e)将预制体在真空炉中烧结1小时，预制体的烧结温度为1000℃—1600℃，真空度为10^-3Pa量级；

(f)采用符合温度要求和真空度要求的高温炉对Nb预制体无压熔渗TiAl合金，无压熔渗温度为1500℃—1900℃，真空度为10^-3Pa量级；

本发明的主要创造性在于：避开了难熔合金Nb的熔炼工序，从制备方法上降低制备成本的同时，通过三维网络复合结构利用TiAl金属间化合物的特性弥补Nb高温抗氧化性能极差的缺陷，获得抗氧化能力强、力学性能好且使用寿命长的复合材料。与现有技术相比本发明的主要优点如下：

使用该方法制备的Nb/TiAl复合材料其结构特点独特，制备温度相对降低、复合结构可调控。

具体实施方式

实施实例1：

(a)将粒度为50-80μm的Nb粉末按体积比为10%与纯水混合，并加入少量的甘油与聚丙烯酸，球磨48小时；

(b)将球磨后的浆料置入真空烘箱除气泡15分钟后灌入聚四氟乙烯管状模具，管状模具底部用铜合金底座；

(c)用液氮对浆料实施冷冻20分钟；

(d)将冷冻体置入干燥机干燥36小时，干燥机温度设为-70℃，真空度为10Pa；

(e)将干燥后的预制体在真空碳管炉中烧结1小时，烧结温度为1400℃；

(d)将圆片状TiAl(原子比为1:2)合金置于多孔Nb预制体底部或顶部，并放入电磁感应炉中进行无压熔渗，熔渗温度为1800℃，真空度为2×10^-3Pa;

经过扫描电镜形貌观察和能谱分析表明：所制备的Nb/TiAl复合材料呈层状互联复合结构，TiAl合金填满多孔Nb预制体骨架的层间隙和颗粒间隙。

实施实例2：

(a)将粒度为50-80μm的Nb粉末按体积比为10%与纯水混合，并加入少量的甘油与聚丙烯酸，球磨48小时；

(b)将球磨后的浆料置入真空烘箱除气泡15分钟后灌入聚四氟乙烯管状模具，管状模具底部用铜合金底座；

(c)用液氮对浆料实施冷冻20分钟；

(d)将冷冻体置入干燥机干燥36小时，干燥机温度设为-10℃，真空度为10Pa；

(e)将干燥后的预制体在真空碳管炉中烧结1小时，烧结温度为1400℃；