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CN110239161A - 一种Nb-TiAl层状复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种Nb-TiAl层状复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Nb‑TiAl层状复合材料及其制备方法，属于合金制备技术领域。本发明要解决TiAl合金本征脆性，室温塑韧性低，不易加工成型的问题。一种Nb‑TiAl层状复合材料是由周期性的Nb/高Nb‑TiAl合金结构组成。方法：一、Ti箔、Al箔和Nb箔的表面清洗；二、将洗好的Ti箔、Al箔和Nb箔进行叠层，制备预制件；三、低温热处理；四、中温退火；五、高温致密化即得。本发明用于制备Nb‑TiAl层状复合材料，可以近成型板材等其它复杂形状的Nb‑TiAl层状复合材料。

Description

一种Nb-TiAl层状复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种Nb-TiAl层状复合材料及其制备方法。
背景技术
TiAl合金具有优异的高温性能、较好的抗氧化性，同时具有很高的比强度、比模量等特点，在汽车制造、航空航天等领域有着广阔的应用前景。但是，TiAl合金具有本征脆性，存在损伤容限低、室温塑形及韧性低等缺点，这些缺点使得TiAl合金成型困难，很难制备形状复杂的结构件，采用等温锻造、热轧等方式对高Nb-TiAl合金进行加工不仅工艺复杂而且成本也较高。基于此，如何在提高TiAl合金的室温塑韧性的同时，也能近成型板材或其它形状复杂的结构件是目前需要迫切解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前无法在提高TiAl合金室温塑韧性的同时，近成型制备板材或形状复杂的结构件的问题，提供一种Nb-TiAl层状复合材料及其制备方法，该方法在提高TiAl合金的室温塑韧性的同时，能近成型板材或其它形状复杂的结构件。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种Nb-TiAl层状复合材料，所述的Nb-TiAl层状复合材料是由周期性的Nb/Ti3Al-TiAl/Nb结构组成，Nb为纯Nb，上下两个纯Nb层之间，交替设置Ti3Al层和TiAl层，并构成一个周期叠层结构。
一种上述Nb-TiAl层状复合材料的制备方法，所述方法按照以下步骤进行：
步骤一：依次使用酒精和丙酮分别对Ti箔、Al箔和Nb箔超声清洗5～10min，去除表面的油污，然后利用5vol.％～15vol.％HF、100vol.％HF和5vol.％～15vol.％NaOH溶液分别对Ti箔、Nb箔和Al箔表面进行清洗，去除表面的氧化皮，最后用酒精超声清洗2～5min后，吹干备用；
步骤二：将步骤一洗好的Ti箔、Al箔和Nb箔进行叠层，为了保证装样和热压时，所有箔材的截面是相同的，对叠好的材料使用石墨纸进行包覆，并使用钢丝线固定住叠层，得到Nb/高Nb-TiAl层状复合材料预制件；所述叠层为在每一个周期叠层结构的上下两层分别放置Nb箔，然后将Ti箔和Al箔交替叠层到上下两层Nb箔之间；通过调整叠层数量从1个周期叠层结构到多个周期叠层结构，可以控制最终材料的厚度；
步骤三：将步骤二制备的预制件装入石墨模具中，然后放入真空热压炉中，真空抽至1×10-3Pa以下，在520～550℃热压10～30min，施加40～80MPa压力；然后升温到600～660℃保温2～8h，施加10～30MPa压力进行低温退火，获得由Nb、Ti和TiAl3相组成的复合材料；
步骤四：将步骤三得到的由Nb、Ti和TiAl3相组成的复合材料，升温到800～880℃保温10～30h，施加30～50MPa压力，获得周期结构为Nb-Ti3Al-TiAl-Nb的层状复合材料；
步骤五：将步骤四得到的层状复合材料升温到1150～1250℃保温10～60min，施加50～80MPa压力，获得Nb-TiAl层状复合材料。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
一、采用箔冶金的方式制备Nb-Ti3Al-TiAl-Nb层状复合材料，利用箔材良好的室温变形和成型性特征，能够近成型板材及其它形状复杂的结构件，避免了后续对材料的成型加工；
二、制备Nb-Ti3Al-TiAl-Nb层状复合材料工艺简单，无须专用设备。
三、采用多步退火热处理的方式对组织层厚进行调控，易于获得最佳性能匹配的复合材料。
附图说明
图1为层叠材料的结构示意图；
图2为550℃/30min/50MPa+860℃/3h/30MPa热处理后的微观形貌图；
图3为550℃/30min/50MPa+860℃/20h/30MPa热处理后的微观形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种Nb-TiAl层状复合材料，所述的Nb-TiAl层状复合材料是由周期性的Nb/Ti3Al-TiAl/Nb结构组成，Nb为纯Nb，上下两个纯Nb层之间，交替设置Ti3Al层和TiAl层，并构成一个周期叠层结构。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种Nb-TiAl层状复合材料，所述纯Nb层单层的厚度为20～50μm，主要是作为复合材料的韧性层，同时具有很好的耐高温性。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种Nb-TiAl层状复合材料，所述Ti3Al层和TiAl层的厚度比为1：1～2，可以通过制备过程中调整原材料Ti箔和Al箔的厚度比或者是通过控制在1150～1250℃的保温时间来进行调控。
具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种Nb-TiAl层状复合材料，所述纯Nb层厚与TiAl层厚和Ti3Al层厚总和的厚度比为1：3.5～5，通过在制备过程中控制韧性层Nb箔、Ti箔和Al箔的原始厚度比，可以控制最终Nb、TiAl和Ti3Al的厚度比，对层状复合材料的密度、塑韧性进行调控，获得综合性能最好的Nb-TiAl层状复合材料。
具体实施方式五：一种具体实施方式一至四任一具体实施方式所述的Nb-TiAl层状复合材料的制备方法，所述方法按照以下步骤进行：
步骤一：依次使用酒精和丙酮分别对Ti箔、Al箔和Nb箔超声(功率2000W)清洗5～10min，去除表面的油污，然后利用5vol.％～15vol.％HF、100vol.％HF和5vol.％～15vol.％NaOH溶液分别对Ti箔、Nb箔和Al箔表面进行清洗，去除表面的氧化皮，最后用酒精超声(功率2000W)清洗2～5min后，吹风机吹干备用；
步骤二：将步骤一洗好的Ti箔、Al箔和Nb箔进行叠层，为了保证装样和热压时，所有箔材的截面是相同的，对叠好的材料使用石墨纸进行包覆，并使用直径为0.1～0.2mm的钢丝线固定住叠层，得到Nb/高Nb-TiAl层状复合材料预制件；所述叠层为在每一个周期叠层结构的上下两层分别放置Nb箔，然后将Ti箔和Al箔交替叠层到上下两层Nb箔之间；通过调整叠层数量从1个周期叠层结构到多个周期叠层结构，可以控制最终材料的厚度；
步骤三：将步骤二制备的预制件装入石墨模具中，然后放入真空热压炉中，真空抽至1×10-3Pa以下，在520～550℃热压10～30min，施加40～80MPa压力；然后升温到600～660℃保温2～8h，施加10～30MPa压力进行低温退火，获得由Nb、Ti和TiAl3相组成的复合材料；所述石墨模具的形状可以是长方体形(正方体形)，也可以是其他复杂的形状，这样就达到了成型板材或复杂结构件的目的；
步骤四：将步骤三得到的由Nb、Ti和TiAl3相组成的复合材料，升温到800～880℃保温10～30h，施加30～50MPa压力，获得周期结构为Nb-Ti3Al-TiAl-Nb的层状复合材料；
步骤五：将步骤四得到的层状复合材料升温到1150～1250℃保温10～60min，施加50～80MPa压力，获得致密且没有缺陷的Nb-TiAl层状复合材料。
本发明中的热压分为三个阶段，第一阶段：520～550℃/10～30min+600～660℃/2～8h，使Al箔全部转化为TiAl3，避免高温时Al液流出；第二阶段：800～880℃退火，保证TiAl系化合物TiAl2、TiAl3、Ti2Al5、Ti3Al、γ-TiAl等基本转化为α2-Ti3Al和γ-TiAl化合物，同时控制Nb层的反应；第三阶段：升温到1150～1250热处理，消除中温退火时存在的孔洞等缺陷，对材料进行致密化处理，同时也能对材料的各相层厚度进行调控。
本发明中利用原位自生方法制备的Nb-Ti3Al-TiAl-Nb的层状复合材料，Nb层位于Nb-Ti3Al-TiAl-Nb周期性结构的最外面两层，Nb层、Ti3Al、TiAl层厚度可控，界面平直且连接很好；TiAl层具有较高的高温强度，Ti3Al层具有更高的硬度，Ti3Al层可以进一步强化TiAl的性能，塑韧性较好的Nb和材料的多层结构可以进一步提高材料的塑韧性，得到强韧性最佳配合的材料；利用中温获得需要的组织结构，高温退火致密化的方式，能够有效的控制Nb的扩散，保证Nb的厚度可控。
本发明形成的材料界面清晰平整，材料致密无缺陷。制备过程无污染，工艺优势明显。
具体实施方式六：具体实施方式五所述的一种Nb-TiAl层状复合材料的制备方法，步骤一中，所述Ti箔为TC4或TA1等常用箔材，单层厚度为20～50μm；所述Al箔为纯Al箔，单层厚度为10～50μm。
具体实施方式七：具体实施方式五所述的一种Nb-TiAl层状复合材料的制备方法，步骤一中，在吹干后的Ti箔和Al箔表面磁控溅射Nb膜或Nb合金膜，单面镀膜，厚度为0～4μm，利用镀膜的箔材制备Nb/Ti3Al-TiAl/Nb层状复合材料，此时的Ti3Al和TiAl层便能实现Nb等合金化，进一步提高Ti3Al和TiAl层的力学性能。
具体实施方式八：具体实施方式五所述的一种Nb-TiAl层状复合材料的制备方法，步骤三中，具体为：将步骤二制备的预制件装入石墨模具中，然后放入真空热压炉中，真空抽至1×10-3Pa以下，在540～550℃热压10～20min，施加50～60MPa压力；然后升温到630～645℃保温4～6h，施加10～15MPa压力进行低温退火，获得由Nb、Ti和TiAl3相组成的复合材料。
具体实施方式九：具体实施方式五所述的一种Nb-TiAl层状复合材料的制备方法，步骤四中，具体为：将步骤三得到的由Nb、Ti和TiAl3相组成的复合材料，升温到850～880℃保温18～24h，施加30～40MPa压力，获得周期结构为Nb-Ti3Al-TiAl-Nb的层状结构材料。
具体实施方式十：具体实施方式五所述的一种Nb-TiAl层状复合材料的制备方法，步骤五中，具体为：将步骤四得到的层状复合材料，升温到1200～1250℃保温10～30min，施加50～60MPa压力，获得致密的Nb-TiAl层状复合材料。
实施例1：
一、先分别用酒精和丙酮对Ti箔、Al箔和Nb箔进行超声清洗，清洗时间5min，去除表面的油污，然后利用10vol.％HF、100vol.％HF和10vol.％NaOH溶液分别对Ti箔、Nb箔和Al箔进行表面清洗，去除表面的氧化皮，最后用酒精超声清洗5min后，吹风机吹干备用；其中所述的Ti箔的厚度为20μm，Al箔的厚度为17μm，Nb箔的厚度为25μm；
二、将步骤一洗好的Ti箔、Al箔和Nb箔进行叠层，叠制顺序为Nb箔分别在一个周期叠层的最上端和最下端，中间层为交替的Ti箔和Al箔；为了保证装样和热压时，所有箔材始终在一个平面内，对叠好的材料进行石墨包覆，利用直径为0.15mm的钢丝线固定住叠层，制备Nb/高Nb-TiAl层状复合材料预制件；
三、将步骤二制备的预制件装入石墨模具中，然后放入真空热压炉中，真空抽至1×10-3Pa以下，在550℃热压15min，施加50MPa压力；然后升温到640℃保温4h，施加15MPa压力进行低温退火，获得由Nb、Ti和TiAl3相组成的低温退火组织；
四、将步骤三得到的由Nb、Ti和TiAl3相组成的低温退火组织，升温到865℃保温20h，施加40MPa压力，获得周期结构为Nb-Ti3Al-TiAl-Nb的层状结构材料；
五、将步骤四得到的周期结构为Nb-Ti3Al-TiAl-Nb的层状复合材料升温到1200℃，保温30min，施加60MPa压力，获得致密且没有缺陷的Nb-TiAl层状复合材料。
本实施例步骤四中所述预制体的结构如图1所示，从图中可以看出Nb-Ti3Al-TiAl-Nb的层状复合材料一个周期层的叠制顺序以及采用石墨纸包覆后钢丝线固定箔材。图2步骤四中，复合材料在865℃保温10h后的SEM-BSE组织图，由图可以看出，这时材料主要由Nb、γ-TiAl、Ti3Al、TiAl3、TiAl2等组成；图3是步骤四中，复合材料在865℃保温20h后的SEM-BSE组织，由图可知，经过20h的反应后，材料由Nb、Ti3Al、γ-TiAl组成。

Claims (10)

1.一种Nb-TiAl层状复合材料，其特征在于：所述的Nb-TiAl层状复合材料是由周期性的Nb/Ti3Al-TiAl/Nb结构组成，Nb为纯Nb，上下两个纯Nb层之间，交替设置Ti3Al层和TiAl层，并构成一个周期叠层结构。
2.根据权利要求1所述的一种Nb-TiAl层状复合材料，其特征在于：所述纯Nb层单层的厚度为20～50μm。
3.根据权利要求1所述的一种Nb-TiAl层状复合材料，其特征在于：所述Ti3Al层和TiAl层的厚度比为1：1～2。
4.根据权利要求1所述的一种Nb-TiAl层状复合材料，其特征在于：所述纯Nb层厚与TiAl层厚和Ti3Al层厚总和的厚度比为1：3.5～5。
5.一种权利要求1～4任一权利要求所述的Nb-TiAl层状复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤进行：
步骤一：依次使用酒精和丙酮分别对Ti箔、Al箔和Nb箔超声清洗5～10min，去除表面的油污，然后利用5vol.％～15vol.％HF、100vol.％HF和5vol.％～15vol.％NaOH溶液分别对Ti箔、Nb箔和Al箔表面进行清洗，去除表面的氧化皮，最后用酒精超声清洗2～5min后，吹干备用；
步骤二：将步骤一洗好的Ti箔、Al箔和Nb箔进行叠层，为了保证装样和热压时，所有箔材的截面是相同的，对叠好的材料使用石墨纸进行包覆，并使用钢丝线固定住叠层，得到Nb/高Nb-TiAl层状复合材料预制件；所述叠层为在每一个周期叠层结构的上下两层分别放置Nb箔，然后将Ti箔和Al箔交替叠层到上下两层Nb箔之间；
步骤三：将步骤二制备的预制件装入石墨模具中，然后放入真空热压炉中，真空抽至1×10-3Pa以下，在520～550℃热压10～30min，施加40～80MPa压力；然后升温到600～660℃保温2～8h，施加10～30MPa压力进行低温退火，获得由Nb、Ti和TiAl3相组成的复合材料；
步骤四：将步骤三得到的由Nb、Ti和TiAl3相组成的复合材料，升温到800～880℃保温10～30h，施加30～50MPa压力，获得周期结构为Nb-Ti3Al-TiAl-Nb的层状复合材料；
步骤五：将步骤四得到的层状复合材料升温到1150～1250℃保温10～60min，施加50～80MPa压力，获得Nb-TiAl层状复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种Nb-TiAl层状复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述Ti箔为TC4或TA1，单层厚度为20～50μm；所述Al箔为纯Al箔，单层厚度为10～50μm。
7.根据权利要求5所述的一种Nb-TiAl层状复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，在吹干后的Ti箔和Al箔表面磁控溅射Nb膜或Nb合金膜，单面镀膜，厚度为0～4μm。
8.根据权利要求5所述的一种Nb-TiAl层状复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中，具体为：将步骤二制备的预制件装入石墨模具中，然后放入真空热压炉中，真空抽至1×10-3Pa以下，在540～550℃热压10～20min，施加50～60MPa压力；然后升温到630～645℃保温4～6h，施加10～15MPa压力进行低温退火，获得由Nb、Ti和TiAl3相组成的复合材料。
9.根据权利要求5所述的一种Nb-TiAl层状复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中，具体为：将步骤三得到的由Nb、Ti和TiAl3相组成的复合材料，升温到850～880℃保温18～24h，施加30～40MPa压力，获得周期结构为Nb-Ti3Al-TiAl-Nb的层状结构材料。
10.根据权利要求5所述的一种Nb-TiAl层状复合材料的制备方法，其特征在于：步骤五中，具体为：将步骤四得到的层状复合材料，升温到1200～1250℃保温10～30min，施加50～60MPa压力，获得Nb-TiAl层状复合材料。
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