[发明专利]一种网状结构钛硅合金相增强TiAl基复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种网状结构钛硅合金相增强TiAl基复合材料的制备方法，该方法是指按质量分数计，将65%~85%的预合金化的Ti‑46Al‑2Cr‑2Nb粉体与15%~35%的Ti₅Si₃粉末依次经机械混匀、真空热压烧结成型、室温下冷却，即得网状结构Ti₅Si₃增强TiAl基复合材料。本发明制备工艺简单、成本较低、产品性能稳定，所制备的网状结构Ti₅Si₃增强TiAl基复合材料具有较高的压缩强度和优异的抗磨损性能，可用作新型结构和抗磨损材料。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料制备技术领域，尤其涉及一种网状结构钛硅合金相（Ti₅Si₃）增强TiAl基复合材料的制备方法。

背景技术

TiAl基金属间化合物具有轻质、高比强、高比刚、优异的高温力学、抗氧化性能和抗蠕变性能、良好的阻燃能力等优点，是一种应用前景广泛的新型轻质耐高温结构材料。近年来通过合金化、热处理和热机械处理大大改善了TiAl金属间化合物的室温塑性和高温性能（稀有金属材料与工程，2011, 44（12）：2060-2064）。但单一的TiAl金属间化合物难以满足航空、航天结构部件对高温强度、蠕变抗力及持久性能、塑性的综合要求，造成TiAl合金很难大规模实际应用。与之相比，陶瓷颗粒增强TiAl基复合材料能够兼顾TiAl合金和陶瓷的优点，在保持TiAl合金轻质特性的基础上进一步改善其高温强度、抗蠕变和抗氧化性能及塑性性能，且所制备材料具有各向同性性质，使TiAl合金的真正工程化应用成为可能（宇航材料与工艺，2012，1：20-29）。另一方面，在工程化应用中，材料的摩擦磨损性能是部件设计时一个重要的技术指标，然而单一TiAl基合金在室温至400℃温度范围内耐磨损性能较差，利用陶瓷颗粒相复合同时能够提高TiAl基合金的耐磨损性能。

TiAl基复合材料陶瓷增强/抗磨相多选用与基体化学相容性好、热膨胀系数和密度相近的TiB₂、Ti₂AlC、Ti₂AlN和Ti₅Si₃等增强相来进行复合，期望能起到高强、耐磨、轻质多重功效。在现有设计层面，高含量增强相是提高抗磨损性能的前提，但其在基体中主要以颗粒和团聚状形态分布，往往导致强度下降。中科院兰州化物所杨军等人利用粉末冶金工艺分别制备了高含量TiB₂和Ti₂AlC增强TiAl基复合材料，室温抗磨性能有所提高但强度降低（Tribology Letters 2014;53;457-467; Tribology International 2013;62;91-99）。哈尔滨工业大学孙东立等人报道了30%Ti₂AlN/TiAl材料磨损较低（Wear 2010;268;693-69）。

近年来，研究者提出一种基于网状结构的新型增强机制，其设计思路是：在基体中构筑三维网状增强相，利用其刚性承载作用起到增强效果。哈尔滨工业大学孙东立等人以Al和Ti(N)为原料热压合成出具有良好高温压缩强度的网状结构20 Vol.%Ti₂AlN/TiAl材料，并提出了网状结构的形成机制（Materials Characterization;2013;80:28-35.）。孔凡涛等用10 Vol.%碳纳米管与Ti-50Al复合（SPS烧结）制备的网状结构Ti₂AlC/TiAl材料，压缩强度和硬度分别为2058MPa和6.12GPa（Journal of Alloys and Compounds;2010;496:462-466）。吉林大学姜启川等人用Ti、Al、B单质粉末燃烧合成后快速加压制备出网状结构纳米TiB₂（6 Vol.%）增强TiAl基材料，压缩强度达到1892MPa（Materials Science andEngineering A;2013;560:596-600）。

发明内容