[发明专利]表面具有TiAl3保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有保护层的网状结构Ti基复合材料及其制备方法。

背景技术

非连续增强钛基复合材料(Discontinuously reinforced titanium matrix composites，简称DRTMCs)较钛合金具有更高的比强度、比刚度、耐磨性、与高温强度，特别是选用大尺寸球形钛粉为原料，采用低能球磨技术与反应热压烧结技术制备的网状结构TiB晶须增强钛基(TiBw/Ti)复合材料(ZL200810136852.8)，表现出更加优异的综合力学性能以及更高的高温强度，有望作为轻质、耐热、高强结构材料在550～850℃得到广泛应用。然而，网状结构TiB晶须增强钛基(TiBw/Ti)复合材料较差的高温抗氧化性能严重限制了在高温环境的应用。虽然，通过制备网状结构TiCp/Ti复合材料(ZL200910071986.0)可以有效提高其高温抗氧化性能，但拉伸性能大幅下降，甚至远远低于钛合金。

传统钛合金表面通过溅射、喷涂、渗铝(粉末包埋渗、气相渗、料浆渗和热浸渗)等方法制备的TiAl₃镀层具有较好的高温抗氧化性能，然而存在以下缺点：一、工艺复杂要求苛刻，并且对设备要求较高；二、由于镀层内部颗粒之间及其与钛合金之间多为物理或者固相结合，结合较弱；而且制备周期较长，并存在较多的孔洞，抗氧化性能改善效果有限；三、尺寸不能过大，形状只能是简单形状，对工件尺寸与形状有较大的限制；四、由于TiAl₃与Ti之间热膨胀系数不同，受热后总是存在较多的裂纹而成为氧的扩散通道；由于这种热膨胀系数不匹配甚至导致大尺寸工件表面TiAl₃涂层的脱落，失去涂层防护能力。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前网状结构TiBw/Ti复合材高温抗氧化与抗烧蚀性差；以及传统钛合金表面制备TiAl₃镀层工艺复杂要求苛刻，对设备要求较高，镀层与固相结合力弱，制备周期长，孔洞较多、不致密，TiAl₃镀层受热后总是存在较多的裂纹而成为氧的扩散通道导致大尺寸工件表面TiAl₃涂层的脱落等问题，而提供的一种表面具有TiAl₃保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料及其制备方法。

本发明表面具有TiAl₃保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料以TiBw/Ti复合材料为基材，表面具有致密的TiAl₃层；且基材表面TiB晶须嵌入TiAl₃层内；其中，增强相TiB晶须为网状分布。

上述表面具有TiAl₃保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料按以下步骤制备：

一、网状结构TiBw/Ti复合材料表面抛光，然后用酸性腐蚀液对表面抛光的网状结构TiBw/Ti复合材料进行腐蚀；

二、热浸铝：将纯铝加热熔化并保持温度≤900℃，然后将步骤一酸性腐蚀过的网状结构TiBw/Ti复合材料浸入熔化的铝液中；

三、低温反应热处理：将步骤二经过热浸铝处理的复合材料放入温度为550～660℃的环境中保温时间2～8h；

四、将步骤三低温反应热处理过的复合材料放入碱性溶液中反应，即得到表面具有TiAl₃保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料。

本发明表面具有TiAl₃保护层的网状结构TiBw/Ti复合材料因其表面具有致密的TiAl₃层，大幅提高TiBw/Ti复合材料高温抗氧化性与抗烧蚀性能。本发明复合材料中基材表面的TiB晶须嵌入TiAl₃层内，有效地钉扎和固定TiAl₃镀层；由于TiB晶须呈网状分布，所以实际上TiAl₃镀层是被无数个小尺寸网状单元钉扎、固定，有效的避免了TiAl₃镀层与钛基体之间因热膨胀系数不同而造成的裂纹或脱落，结合效果好；而且，即使在TiAl₃镀层局部发生裂纹或者剥离的情况下，其他位置的TiAl₃镀层也不会受到影响，保持镀层与基材间的结合力不变；因此，本发明适合用于制备表面具有大尺寸、大面积TiAl₃镀层的网状结构TiBw/Ti复合材料。