[发明专利]SiC纤维增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法

说明书

本发明涉及铸造及复合材料制备领域，具体为一种SiC纤维增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，解决了传统固态制备法工艺流程复杂，成本高，复合材料易污染而导致力学性能差，复杂零件近净成型困难等问题。本发明通过(1)非自耗真空电弧熔炼母合金；(2)纤维体积分数及分布方式设计；(3)纤维张紧及其定位；(4)真空吸铸；(5)热等静压等工序，制备SiC纤维增强TiAl基复合材料。采用该工艺制备的复合材料与传统方法相比具有制备工艺简单，合金缺陷少，纤维与基体合金结合紧密，反应适中，复合材料干净无污染的优点。

技术领域

本发明涉及铸造及复合材料制备领域，具体为一种SiC纤维增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法。

背景技术

TiAl金属间化合物因其低密度，高比强度，高比模量，优异的抗蠕变及抗氧化能力而被认为是一种理想的轻质高温材料，可在600℃～900℃之间替代镍基高温合金制作航空航天结构件及地面系统转动或往复运动结构件，实现推力重量比值和燃油效率大幅度提高。现已应用于美国GE公司先进航空发动机上，以及新型齿轮传动风扇发动机的高速三转子低压涡轮的第三级转子叶片上。但是受TiAl合金高温力学性能显著下降的影响，仅被用于低压涡轮叶片的末两级，为了提高其高温力学性能从而扩大其应用范围，近年来人们通过合金化的方法发展了第三代TiAl合金，但其使用温度均难以超过750℃。

为了进一步提高TiAl合金高温力学性能，复合材料的思想被引入。SiC纤维增强金属基复合材料是利用高比强度，高比模量，高热稳定性的SiC纤维作为增强体与基体合金复合，通过①基体塑性变形,②纤维拔出③纤维基体界面分析及裂纹偏转来达到增强增韧的目的。传统的制备SiC纤维增强金属基复合材料的方法主要有固态法和液态法。固态法有：箔-纤维-箔法，粉末布法，热喷涂法，基体涂层法。制备流程是将TiAl粉末或者箔材与纤维按设计要求以一定的含量、和分布方向排列在一起，再经热压形成复合材料。用固态法来制备SiC纤维增强TiAl基复合材料虽然高温强度可以满足高温下使用的要求，但存在如下技术瓶颈而限制TiAl基复合材料的发展：①TiAl合金室温塑性差，加工成箔材较困难，加工成本较高；②TiAl合金性能对杂质十分敏感，而粉末表面吸附H、O等杂质导致热压后基体韧性低，综合性能差；③固态基体TiAl合金内部缺陷须在高于1200℃的温度热等静压下才能完全致密去除，而SiC纤维在此温度下损伤严重；④叶片类等复杂零件的近净成型难度大，成本高。液态法是指基体金属处于熔融状态下与SiC增强体复合在一起的方法，主要有压力渗透法，真空吸铸法。主要适用于一些低熔点的金属基体，如镁、铝等合金。TiAl合金因其熔点高，活性大，很容易与其他物质及纤维在高温下反应；熔体粘度大，流动性差；铸件疏松倾向高等缺点，其铸造性能比较差，铸件缺陷较多。所以用液态法来制备SiC纤维增强TiAl基复合材料的想法一直被限制。

真空吸铸吸铸起源于上世纪70年代，因其具有①合金流动性好，有利于薄壁复杂件成型；②材料利用率高，节约生产成本；③无外来氧化物或气体进入铸件，铸件干净无污染；④充型温度较低，冷却速度快，铸件晶粒细小，机械性能好等优点，而被广泛应用于铝、镁合金，钢铁等的精密铸造，及一些低熔点合金的非晶制备方面。近年来随着金属基纤维复合材料的大力发展，吸铸法也在一些低熔点的金属基复合材料中开始应用，如碳纤维增强铝基复合材料。钛合金因其活性高，易与传统的吸铸法中的石墨喷嘴反应，且熔体粘度大，流动的性比较差，很难用传统的吸铸方法来制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合于高活性、高熔点TiAl合金的SiC纤维增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，采用该方法制备出一种高强TiAl复合材料，简化传统固态法工艺流程，降低生产成本。

本发明通过以下技术方案实现：

一种SiC纤维增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法，将SiC纤维固定在模具中，用真空吸铸法将TiAl合金吸铸到模具中与SiC纤维结合在一起形成复合材料，具体步骤如下：

(1)非自耗真空电弧熔炼母合金