[发明专利]一种改善钛铝层状复合材料组织和提高力学性能的方法

说明书

本发明提供的是一种改善钛铝层状复合材料组织和提高力学性能的方法。对钨芯SiC陶瓷纤维进行预处理，对NiTi合金丝、Ti箔、Al箔进行超声波清洗，按照“Ti箔‑钨芯SiC陶瓷纤维与NiTi合金丝‑Al箔‑Ti箔”为一个单元叠放，每2根NiTi合金丝之间放置4根SiC纤维，间距1mm，上下表面均为Ti层，利用真空热压装置对其进行烧结。本发明利用NiTi丝中镍和钛元素易与铝元素在低温下发生反应，形成金属间化合物的设计原理，通过真空热压烧结法将SiC纤维和NiTi合金丝同时引入到金属间化合物层中，其中SiC纤维作为增强体，而NiTi合金丝的引入是为了利用其与Al的充分扩散反应机理来消除金属间化合物层中心线，进而改善SiC纤维/基体界面，从而提高复合材料的力学性能。

技术领域

本发明涉及的是一种复合材料的制备方法，具体地说是一种钛铝层状复合材料的改性方法。

背景技术

近年来，一种新型的轻质高性能空天结构材料——金属间化合物层状复合材料引起了人们的广泛关注。人们利用不同的制备技术，已成功制备出Ti-Al、Ni-Al、Nb-Al及Ti-Cu等金属间化合物层状复合材料体系，其中，Ti-Al系金属间化合物层状复合材料由于其优异的物理及力学性能，使得其在航空、航天等尖端行业有重大的发展前景。其中，最具代表性的是以金属间化合物Al₃Ti为基体，由高强度钛合金(Ti-6Al-4V)增强的Ti/Al₃Ti层状复合材料(metal-intermetallic-laminate，简称MIL)。与其他Ti-Al系金属间化合物(如TiAl,Ti₃Al等)相比，Al₃Ti的密度最小、比强度最高、高温抗氧化性能最好而特别引人注目。90年代中期，金属间化合物层状复合材料Ti/Al₃Ti是由美国奥尔巴尼研究中心(AlbanyResearch Center)的研究人员采用真空烧结的方法开发研究出来。本世纪初加州大学圣迭戈分校(University of California,San Diego)又开发了具有自主产权的无真空烧结制备MIL复合材料专利技术，从而使MIL复合材料实现了低成本、商用化。Vecchio等人利用该技术成功制备出Ti/Al₃Ti金属间化合物层状复合材料，研究表明Ti/Al₃Ti层状复合材料具有优异的性能，在金属/金属间化合物层状复合材料体系中最具发展前景。但由于Al₃Ti室温塑性、韧性太低，使得该类钛铝层状复合材料在实际应用上受到了限制。

为了进一步提高钛铝金属间化合物的室温塑性和高温性能，复合材料的强韧化机制被引入该领域，高强度连续纤维被引入到金属间化合物基体中。美国航空航天局路易斯研究中心(NASA Lewis Research Center)的工作表明：在一个相对比较弱的基体内用40vol.％高强纤维增强的复合材料，在高温蠕变试验中基体仅承担约3％的载荷。由此可见，该种复合思想对改善钛铝金属间化合物室温塑性和高温性能具有重要的意义，同时对减轻形状复杂的发动机高温部件的重量有更大的潜力。Bouix和Petitcorps等人研究发现，向Ti-Al金属间化合物中引入SiC纤维后，该金属间化合物的韧性得到了一定的改善；汪等人利用金属箔冶金反应方法成功的将NiTi合金丝引入到了Ti/Al₃Ti层状复合材料中，研究表明该类新型的结构与功能复合材料由于NiTi合金丝的加入获得了较优异的力学性能和阻尼性能。近期，一种新型的Al₂O₃纤维增强Ti/Al₃Ti层状复合材料利用真空热压烧结法制备出来，使钛铝层状复合材料的抗拉强度和韧性都得到了显著提高。但是，钛铝层状复合材料引入纤维前后，其金属间化合物层都存在明显的中心线。研究发现，钛铝金属间化合物在Ti/Al界面逐渐形核长大，反应界面由钛层前端逐渐向前推进，当遇到由相邻钛层前端推进而来的反应界面时，原本聚集在反应界面的氧化物或杂质便形成了中心线。当材料发生失效时，裂纹首先在金属间化合物层中心线处萌生并扩展，对复合材料的性能造成严重的影响，尤其是对平行方向压缩强度的影响最大。因此，消除钛铝层状复合材料中心线，改善其显微组织并提高其性能成为研究的热点与重点。