[发明专利](Ti@Al3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法在审

专利信息
申请号: 201510444895.2 申请日: 2015-07-27
公开(公告)号: CN105112697A 公开(公告)日: 2015-12-02
发明(设计)人: 陈体军;王英俊;秦亚红;阎峰云;马颖;刘洪军 申请(专利权)人: 兰州理工大学
主分类号: C22C1/04 分类号: C22C1/04;C22C21/00
代理公司: 兰州振华专利代理有限责任公司 62102 代理人: 董斌
地址: 730050 *** 国省代码: 甘肃;62
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摘要:
搜索关键词: ti al sub 自生 复合材料 粉末 成形 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及金属基复合材料的制备技术,具体是粉末触变成形技术制备TiAl3Ti芯-壳结构粒子增强铝基自生复合材料的制备方法。

背景技术

Al3Ti金属间化合物因其硬度高、高温力学性能和抗氧化性优异,特别是膨胀系数低、密度小,与Al合金复合不会在界面处产生大的残余应力,且更能体现质轻的特点,是铝基复合材料理想的增强体。目前制备Al3Ti粒子(Al3Tip)增强Al基自生复合材料(Al3Tip/Al)最常用的方法为粉末冶金法,其过程是将Al合金粉末与Ti或TiO2粉末混合、压块、真空干燥后,在低于Al合金固相线温度无压或加压反应烧结。但因该方法反应温度低(600℃或以下),耗时长(5h以上),不仅能耗大,而且合金元素烧损严重,生产效率低,尤为重要的是所得材料因Kirkendall效应产生的孔隙致使组织致密性差,且成形件的尺寸和形状受限较大。尽管采用微波、等离子体等烧结技术可明显改善致密性,但仍存在相当比例的孔隙,或者采用后续的再加工,如轧制、搅拌摩擦加工等能获得组织致密的材料,但增加了成本,且对大尺寸,尤其是复杂形状零件的难以加工。更为重要的是Al3Ti脆性大,与其它微米级金属间化合物或陶瓷粒子增强的Al基复合材料相似,在提高Al合金强度的同时,韧性急剧下降,这是除制造技术外,限制粒子(金属间化合物、陶瓷)增强金属基复合材料应用的第二个主要因素。原因是在外力作用下,当增强体/基体界面处的应力达到一定程度时,Al3Tip粒子(Al3Tip)很容易破碎,从而瞬时产生粒子尺寸大小的裂纹,经失稳、扩展后使材料过早断裂。断裂理论认为在一定应力下,只有当裂纹的尺寸达到一定长度时才会失稳、扩展。因此,减小粒子尺寸可有效遏制裂纹的扩展,保持材料的韧性。但要获得小尺寸,比如纳米尺寸的Al3Tip势必先得到Ti纳米粉末,而生产Ti纳米粉除技术上的困难外,还使制造成本急剧增加。现有研究发现,在反应烧结的过程中,Al3Ti是逐层向Ti粉内生成,可形成芯部为Ti、外壳为Al3Ti化合物的芯-壳结构的粒子。可以推断:当Al3Ti外壳的厚度达到一定程度时,这种芯-壳结构的粒子对材料的增强作用将与全部为Al3Ti的粒子接近或相当,但在外力作用下,因破碎形成的裂纹仅限于Al3Ti壳内,其尺寸大大减小;另外,裂纹的两端分别与软的Al基体和Ti芯相连,使裂纹尖端钝化,从而延缓、阻碍了裂纹的扩展。即TiAl3Ti芯-壳结构粒子(TiAl3Tip)增强的Al基复合材料(TiAl3Tip/Al)具有比Al3Tip/Al基复合材料更好的力学性能,尤其是更好的韧性。

而于1970's发展起来的触变成形技术,不仅能大幅度减少、甚至消除缩松、气孔等孔隙,而且还能成形近净型的大尺寸、复杂形状的薄壁件,而近净型对于难加工的颗粒增强金属基复合材料尤为重要。另外粉末冶金法所用原材料通常用雾化法获得,不仅自身尺寸小,而且组织也十分细小,将粉末压块部分重熔可得到初生相颗粒细小、圆整的半固态组织,是触变成形所需的理想组织。如果将粉末冶金技术和触变成形技术相结合,便可得到一种集制备和成形结构型TiAl3Ti芯-壳结构粒子(TiAl3Tip)增强的Al基复合材料于一体的新技术――粉末触变成形:先以粉末冶金法的混粉和压实步骤得到Al合金粉末和Ti粉末混合均匀的压块,然后在真空炉中加热到Al合金的半固态温度进行部分重熔,当加热一定的时间,不仅固态Ti粉与液相中的Al元素反应形成增强体Al3Ti粒子(Al3Tip),完成了Al3Tip壳层的反应生成,而且也获得了初生相颗粒细小、圆整、组织致密、少孔隙的触变成形用非枝晶半固态锭料,待Ti粉表面形成的TiAl3Ti芯-壳结构粒子且大部分没有破裂后进行触变成形。

发明内容

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