CN107900352A - 一种层状高铌钛铝合金复合材料板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种层状高铌钛铝合金复合材料板及其制备方法，属于材料及其制备技术领域。采用纯铝箔材与钛粉和铌粉的混合粉末叠层热压复合的工艺，为制备金属基复合材料提出了一条新思路。通过加入铌元素制备的钛铝基层状材料具有更优异的力学性能，例如高强度和高韧性。制备方法:S1铝箔、钛粉和铌粉的准备；S2叠层放置；S3室温包套轧制预处理；S4低温扩散反应；S5高温扩散反应。本发明可用于层状高铌钛铝合金复合材料板的制备。

Description

一种层状高铌钛铝合金复合材料板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料及其制备方法，特别涉及一种金属基层状复合材料及其制备方法，属于材料及其制备技术领域。
背景技术
随着现代工业技术的发展和各种新技术、新产业的不断出现，人们对材料性能的要求也日益提高，单一组元材料的性能已经很难满足现实生产的要求。因此，研究和制备新型复合材料变得十分迫切。TiAl基材料由于具有耐高温、抗氧化等优异的高温性能，成为航空航天领域中高温构件的最佳选材之一。
箔箔冶金法是制备金属基层状复合材料的有效方法之一，该方法先将两种金属箔材相间逐层叠放，放入真空烧结炉内，在设定温度和压力下保温一段时间，在两种箔材接触界面原位生成金属间化合物，作为层状材料的基体层，性能相对较差的箔材全部反应，性能较好的箔材仍有剩余，作为层状材料的韧性层，最终生成金属基层状复合材料。在箔箔冶金方法的基础上，本发明进而提出了箔材粉末冶金法。
发明内容
一种层状高铌钛铝合金复合材料板，其特征在于：层状高铌钛铝合金复合材料板是多层箔材和粉体交替叠置热压而成。
本发明由金属铝箔和钛粉、铌粉为原材料，将箔材与粉体交替放置并利用热压和反应扩散的作用达到良好的界面结合，提出了新的热压工艺－箔材粉末冶金法，这种新方法相对于传统的箔材与箔材叠层热压技术而言，此方法可以根据要求加入各种有益元素的粉末，制备的金属材料具有更优异的力学性能，例如高强度和高韧性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是:
一种层状高铌钛铝合金复合材料板的制备方法，其特征在于包括如下步骤:
S1：铝箔、钛粉和铌粉的准备:采用常见的表面处理方法对铝箔的表面进行清洗；同时将钛粉和铌粉混合均匀；
S2：叠层放置:将经过表面处理的铝箔和混合好的粉体交替叠层放置，形成“三明治”结构；
S3:室温包套轧制预处理：
用钛箔包套叠层的材料在室温下进行冷轧，使铝箔间的粉体分布更加均匀；
S4：低温扩散反应：将经过冷轧处理未除包套的叠层结构放置在表面均匀喷涂氮化硼的石墨模具中，在真空烧结炉中控制气氛、温度、压力的条件下进行低温扩散反应，制成初材料；
S5：高温扩散反应：将经过S4低温扩散处理的初材料，放置在均匀喷涂氮化硼的石墨模具中，在真空烧结炉中控制气氛、温度、压力的条件下进行高温扩散，制成层状高铌钛铝合金复合材料板。
需要说明的是,S1中对铝箔进行的表面清洗方法：用600目或800目的砂纸打磨去除铝箔表面氧化物，然后用10wt％NaOH碱洗并减薄到设计厚度，然后用大量清水冲洗2分钟后置于酒精中涮洗2分钟后，用吹风机吹干后待用。
需要说明的是，S2中所述的铝箔和混合粉体交替叠层放置要求最外层为铝箔。
需要说明的是，S3中所述的对叠层结构进行室温包套轧制预处理要求轧制变形量为20%～30%。
需要说明的是,S4中所述的低温扩散反应的工艺参数为：真空度小于10-2MPa，以5℃/min的速率加热到200℃时开始加压80MPa，当温度升至600℃后，保温保压7小时，随炉冷却至室温。
需要说明的是,S5中所述的高温扩散反应的工艺参数为：真空度小于10-2MPa，以5℃/min的速率加热到1000℃时开始压力40MPa，当温度升至1250℃后，保温保压2小时，随炉冷却至室温。
本发明的优点 ：
一、本发明的一种层状高铌钛铝合金复合材料板中，通过将铝箔和铌粉、钛粉层叠后进行热压，得到了层状分布的层状高铌钛铝合金复合材料板，由于可以通过混合粉末加入了铌等有益元素使材料性能较传统的TiAl基材料得到了进一步的提高；
二、本发明的一种层状高铌钛铝合金复合材料板的制备方法制备得到的层状高铌钛铝合金复合材料板，通过调整铝箔的厚度及钛粉和铌粉的量，可得到不同成分组成的的层状复合材料板。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种层状高铌钛铝合金复合材料板及其制备方法的流程示意图。
图2是本发明实施例一提供的一种层状高铌钛铝合金复合材料板及其制备方法的低温扩散反应和高温扩散反应程的示意图。
附图标记说明：
1-上垫块 ；
2-加热装置；
3-下垫块；
4-包套；
5-混合粉末层；
6-铝箔层。
具体实施方式
本发明提供了一种层状高铌钛铝合金复合材料板及其制造方法，具体实施方式如下：
具体实施方式一：本实施方式的一种层状高铌钛铝合金复合材料板的制备方法按以下步骤进行：
S1：铝箔、钛粉和铌粉的准备:采用常见的表面处理方法对铝箔的表面进行清洗；同时将钛粉和铌粉混合均匀;
S2：叠层放置:将经过表面处理的铝箔和混合好的粉体交替叠层放置，形成“三明治”结构;
S3:室温包套轧制预处理：用钛箔包套叠层的材料在室温下进行冷轧，使铝箔间的粉体分布更加均匀;
S4：低温扩散反应：将经过冷轧处理未除包套的叠层结构放置在表面均匀喷涂氮化硼的石墨模具中，在真空烧结炉中控制气氛、温度、压力的条件下进行低温扩散反应，制成初材料;
S5：高温扩散反应：将经过S4低温扩散处理的初材料，放置在均匀喷涂氮化硼的石墨模具中，在真空烧结炉中控制气氛、温度、压力的条件下进行高温扩散，制成层状高铌钛铝合金复合材料板。
一种优选技术方案，其特征在于:所述S1中对铝箔进行的表面处理方法：用600目或800目的砂纸打磨去除铝箔表面氧化物，然后用10wt％NaOH碱洗并减薄到设计厚度，然后用大量清水冲洗2分钟后置于酒精中涮洗2分钟后，用吹风机吹干待用。
一种优选技术方案，其特征在于：S3中所述的对叠层结构进行室温包套轧制预处理要求轧制变形量为30%-50%。
一种优选技术方案，其特征在于：S4中所述的低温扩散反应的工艺参数为：真空度小于10-2MPa，以5℃/min的速率加热到200℃时加压80MPa，当温度升至600℃后，保温保压7小时，随炉冷却至室温。
一种优选技术方案，其特征在于：S5中所述的高温扩散反应的工艺参数为：真空度小于10-2MPa，以5℃/min的速率加热到1000℃时加压40MPa，当温度升至1250℃后，保温保压2小时，随炉冷却至室温。
本发明的优点 ：
一、本发明的一种层状高铌钛铝合金复合材料板中，通过将铝箔和铌粉、钛粉层叠后进行热压，得到了层状分布的层状高铌钛铝合金复合材料板，由于可以通过混合粉末加入了铌等有益元素使材料性能较传统的TiAl基材料得到了进一步的提高；
二、本发明的一种层状高铌钛铝合金复合材料板的制备方法制备得到的层状高铌钛铝合金复合材料板，通过调整铝箔的厚度及钛粉和铌粉的量，可得到不同成分组成的的层状高铌钛铝合金复合材料板。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：S1中所述的铝箔厚度为0.1mm，钛粉和铌粉的粒径均为10～100um，其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：S1中所述的将铌粉与钛粉进行球磨混粉，混粉时间为8h～16h，球料比为(15～20) :1,球磨机转速为100r/min～200r/min，得到混合均匀的粉体，其中所述的混合均匀的粉体中纯钛的体积分数为85%～95%，铌粉的体积分数为5%～15%。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：S2中叠层结构为2n+1层，即n+1层铝板和n层混合粉体层，叠层最外层为铝箔，每层铝箔与每层混合粉末的体积分数为1:1。其它与具体实施方式一相同。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
实施例一：本实施例的一种TiAl 基层状复合材料板的制备方法按以下步骤进行：切取100×100 ×1mm的铝箔15张，对铝箔的表面进行清洗。将体积分数比4：1的钛粉和铌粉置于球磨机中转速150 r/min，12小时后混合均匀。将经过表面处理的铝箔和混合好的粉体交替叠层放置，形成“三明治”结构，叠层结构为11层，即6层铝板和5层混合粉体层，并要求每层的混合粉体体积与每层的铝箔相同且粉体分布相对均匀。叠层采用钛箔进行包套后在室温下轧制，变形量为30%。未除包套的叠层结构放置在表面均匀喷涂氮化硼的石墨模具中，将模具置于真空烧结炉中，真空度小于10-2MPa，以5℃/min的速率加热到200℃时压力80MPa，当温度升至600℃后，保温保压7小时，随炉冷却至室温。最后进行高温扩散反应：真空度小于10-2MPa，以5℃/min的速率加热到1000℃时压力40MPa，当温度升至1250℃后，保温保压5小时，随炉冷却至室温。至此，一种层状高铌钛铝合金复合材料板制作完成。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种层状高铌钛铝合金复合材料板，其特征在于：层状高铌钛铝合金复合材料板是多层铝箔与铌粉和钛粉的混合粉体交替叠置热压而成。
2.一种层状高铌钛铝合金复合材料板，其特征在于：一种层状高铌钛铝合金复合材料板的制备方法按以下步骤进行：
S1：铝箔、钛粉和铌粉的准备:采用常见的表面处理方法对铝箔的表面进行清洗；同时将钛粉和铌粉混合均匀;
S2：叠层放置:将经过表面处理的铝箔和混合好的粉体交替叠层放置，形成“三明治”结构;
S3:室温包套轧制预处理：用钛箔包套叠层的材料在室温下进行冷轧，使铝箔间的粉体分布更加均匀;
S4：低温扩散反应：将经过冷轧处理未除包套的叠层结构放置在表面均匀喷涂氮化硼的石墨模具中，在真空烧结炉中控制气氛、温度、压力的条件下进行低温扩散反应，制成初材料;
S5：高温扩散反应：将经过S4低温扩散处理的初材料，放置在均匀喷涂氮化硼的石墨模具中，在真空烧结炉中控制气氛、温度、压力的条件下进行高温扩散，制成层状高铌钛铝合金复合材料板。
3.根据权利要求2所述的一种层状高铌钛铝合金复合材料板的制备方法，其特征在于:S1中所述对铝箔进行的表面处理方法：用600目或800目的砂纸打磨去除铝箔表面氧化物，然后用10wt％NaOH碱洗并减薄到设计厚度，然后用大量清水冲洗2分钟后置于酒精中涮洗2分钟后，用吹风机吹干后待用。
4.根据权利要求2所述的一种层状高铌钛铝合金复合材料板的制备方法，其特征在于：S2中叠层结构为2n+1层，即n+1层铝板和n层混合粉末层，并要求最外层为铝箔，每层铝箔与每层混合粉末的体积分数为1:1。
5.根据权利要求2所述的一种层状高铌钛铝合金复合材料板的制备方法，其特征在于：S3中所述的对叠层结构进行室温包套轧制预处理要求轧制变形量为20%～-30%。
6.根据权利要求2所述的一种层状高铌钛铝合金复合材料板的制备方法，其特征在于：S4中所述的低温扩散反应的工艺参数为：真空度小于10-2MPa，以5℃/min的速率加热到200℃时开始加压80MPa，当温度升至600℃后，保温保压7小时，随炉冷却至室温。
7.根据权利要求2所述的一种层状高铌钛铝合金复合材料板的制备方法，其特征在于：S5中所述的高温扩散反应的工艺参数为：真空度小于10-2MPa，以5℃/min的速率加热到1000℃时开始压力40MPa，当温度升至1250℃后，保温保压2小时，随炉冷却至室温。
8.根据权利要求2所述的一种层状高铌钛铝合金复合材料板的制备方法，其特征在于:S1中所述的铝箔厚度为0.1mm，纯铝粉和铌粉的粒径均为10～100um。
9.根据权利要求2所述的一种层状高铌钛铝合金复合材料板的制备方法，其特征在于:S1中所述的将铌粉与铝粉进行球磨混粉，混粉时间为8h～16h，球料比为(15～20) :1,球磨机转速为100r/min～200r/min，得到混合均匀的粉体，其中所述的混合均匀的粉体中钛粉的体积分数为85%～95%，铌粉的体积分数为5%～15%。
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