[发明专利]一种钛铝-陶瓷层状材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种层状材料及其制备方法。

背景技术

钛铝基合金是一种新型轻质耐热结构材料，具有轻质、高强、耐蚀、耐磨、耐高温等优点，成为全世界范围内航空、航天和军事领域研究和应用的重点材料。经过几十年的努力，目前钛铝基合金已经进入实用化发展阶段。其中，对钛铝基合金板材和箔材的需求最为迫切。但是单相的TiAl基金属间化合物断裂韧性和塑性较差使得TiAl基板材成形困难，利用传统的热轧制方法来制备TiAl基板材的难度相当大，对轧制的环境及设备要求十分苛刻。基于此，使用了元素箔反应退火等新方法制备TiAl基板材避免了对脆性TiAl相的直接变形从而提高了TiAl基板材的成形能力，同时引入增强体来改善单相的TiAl基金属间化合物存在高温强度及蠕变性能不足的问题。但元素箔反应退火方法存在反应退火中铝熔化流失导致成分不可控的问题。

发明内容

本发明是要解决元素箔反应退火方法制备TiAl基板材过程中存在的铝熔化流失导致成分不可控的问题，而提供一种钛铝-陶瓷层状材料及其制备方法。

本发明一种钛铝-陶瓷层状材料是利用原位自生技术由纯Ti箔和Al基复合材料箔交替叠层、热压及反应退火制成；所述钛铝-陶瓷层状材料中TiAl层和陶瓷层相间分布，叠层间距为5μm～100μm，陶瓷层包括Ti₂AlC相和Ti₃AlC相，TiAl层中为片层γ-TiAl/α₂-Ti₃Al，片层间距为100nm～500nm；所述的Al基复合材料箔由增强体和纯Al粉经混粉、热压烧结及轧制制成。

一种钛铝-陶瓷层状材料的制备方法，按以下步骤进行：

一、将增强体与纯Al粉进行球磨混粉，混粉时间为6h～20h，球料比为(10～20):1，球磨机转速为150r/min～250r/min，得到混合均匀的粉体，然后将装有混合均匀的粉体的石墨模具在真空热压炉中进行烧结，烧结温度为500℃～620℃，保温时间为1h～2h，压力为20MPa～30MPa，得到Al基复合材料；其中所述的Al基复合材料中纯Al粉的体积分数为85%～99.9%，所述的Al基复合材料中增强体的体积分数为0.1%～15%；

二、将步骤一得到的Al基复合材料进行热挤压和轧制，控制热挤压温度为400℃～500℃，挤压比为(10～20):1，控制轧制温度为20℃～500℃，轧制10次～50次，每次压下量为5%～30%，轧制后的Al基复合材料厚度为100μm～500μm；

三、对步骤二轧制后的Al基复合材料进行打磨，得到Al基复合材料箔，然后采用质量浓度为5%～30%的NaOH溶液清洗Al基复合材料箔，采用体积浓度为5%～30%的HF溶液清洗纯Ti箔，再将清洗后的Al基复合材料箔和清洗后的纯Ti箔置于丙酮中，在频率为20KHz～30KHz的条件下超声清洗3min～10min，然后于20℃～70℃下干燥1min～5min，得到处理后的Al基复合材料箔和处理后的纯Ti箔；

四、将步骤三得到的处理后的Al基复合材料箔和处理后的纯Ti箔交替叠层，最外层均为处理后的纯Ti箔，然后在钛合金模具中进行热压，控制热压温度为400℃～550℃，保温时间为1h～2h，压力为20MPa～30MPa，得到Ti-Al基复合材料的层状板材；其中所述步骤三得到的处理后的纯Ti箔单层厚度为50μm～200μm，所述步骤三得到的处理后的纯Ti箔与处理后的Al基复合材料箔的单层厚度比为(1.04～1.14):1；

五、将步骤四得到的Ti-Al基复合材料的层状板材放入真空热压炉进行低温热处理，在温度为650℃～670℃保温4h～6h后，降温至400℃～500℃加压20MPa～30MPa并保温0.5h～3h，再升温至700℃～800℃保温2h～3h，最后降温至400℃～500℃加压20MPa～30MPa并保温0.5h～3h，得到Ti-TiAl₃层状材料；

六、将步骤五得到的Ti-TiAl₃层状材料放入真空热压炉进行致密化热处理，控制致密化温度为1000℃～1300℃，保温时间为0.5h～2h，压力为20MPa～100MPa，得到致密化后的层状材料；

七、将步骤六得到的致密化后的层状材料置于1100℃～1300℃环境中保温为3h～10h，即得到TiAl-(Ti₂AlC+Ti₃AlC)钛铝-陶瓷层状材料。