納米復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種納米TiO2增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的制備方法，該方法包括納米TiO2顆粒添加前TiAl熔體形態(tài)和溫度的工藝控制、加入過程中納米TiO2顆粒被TiAl熔體均勻卷入且不被坩堝壁吸附的工藝控制和電磁攪拌工藝。使用鋁箔對納米顆粒進(jìn)行封裝并放入布料斗；將TiAl母合金放入坩堝，抽真空，充氬氣保護(hù)，提升電磁感應(yīng)功率到坩堝內(nèi)的母合金完全融化；降功率使合金液面呈平面，將納米顆粒倒在合金液面上，待90%的顆粒卷入合金液，液面上不存在漂浮的顆粒后，提升功率并進(jìn)行攪拌，停功率隨爐冷卻；將制備好的鑄錠，翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝并抽真空并充入氬氣，快速提升功率并電磁攪拌，停功率隨爐冷卻。通過上述工藝的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)納米TiO2顆粒呈均勻分散分布的TiAl基納米復(fù)合材料。
【專利說明】—種TiAI/Ti02納米復(fù)合材料的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬基納米復(fù)合材料的制備【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體的說是一種以TiAl金屬間化合物為基，以納米T12為增強(qiáng)相的復(fù)合材料制備方法。通過在TiAl合金熔體中加入納米T12，根據(jù)其潤濕性采用適當(dāng)?shù)碾姶艛嚢韫に嚝@得納米顆粒在基體中均勻分散的TiAl基復(fù)合材料。

【背景技術(shù)】
[0002]TiAl基金屬間化合物因其低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度以及優(yōu)異的高溫抗氧化性能，在航空航天、汽車等高溫結(jié)構(gòu)部件中有較大的應(yīng)用潛力，并有望替代高密度的鎳基高溫合金進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)動(dòng)性，降低溫室氣體排放。金屬基復(fù)合材料(MMCs)由于增強(qiáng)相釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，通?？梢燥@著提高其室溫力學(xué)性能和高溫抗蠕變性能，使MMCs成為了發(fā)展新材料的有力手段。
[0003]在發(fā)展金屬基復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減小增強(qiáng)相的尺寸，使之達(dá)到10nm以下，因納米相具有一些獨(dú)特的性質(zhì):如尺寸效應(yīng)、局域場效應(yīng)、量子效應(yīng)和表面效應(yīng)，使得金屬基納米復(fù)合材料(MMNCs)也相應(yīng)具有獨(dú)特的力、熱、電、磁、光性能。對于MMNCs的研究，目前仍處于制備工藝的探索和優(yōu)化階段，其制備工藝主要分為固態(tài)成型和液態(tài)成型兩種，固態(tài)成型工藝包括:粉末冶金、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓、原位自生等；液態(tài)成型工藝主要包括:快速凝固、半固態(tài)機(jī)械攪拌、熔體超聲波制備工藝等。MMNCs的固態(tài)成型工藝通?？梢杂行Э朔w相與增強(qiáng)相的界面反應(yīng)，但是由于高能耗并受制于尺寸，其應(yīng)用研究還需要走很長的路。與之相反，采用液態(tài)成型的辦法不僅耗能小，而且可以通過鑄造獲得各種尺寸及復(fù)雜形狀的零件。因此采用液態(tài)成型的辦法對于發(fā)展TiAl基納米復(fù)合材料，是一種低成本-短時(shí)-短工序的制備方法。然而如何克服納米顆粒在合金液中易于形成團(tuán)簇和團(tuán)聚的問題是液態(tài)成型制備MMNCs的關(guān)鍵。
[0004]對于液態(tài)成型工藝，主要是納米顆粒在各種力場下在合金熔體中實(shí)現(xiàn)均勻分散的過程，因此納米顆粒的性質(zhì)、納米顆粒與合金熔體的潤濕性、合金熔體的粘度是采用此種工藝的先決條件。其次才是機(jī)械攪拌、電磁攪拌以及超聲波等力場的制備工藝的優(yōu)化。兩者在制備高質(zhì)量高性能MMNCs中缺一不可。對于機(jī)械攪拌的方法，通常被認(rèn)為很難有效解決納米團(tuán)聚的問題，因此有研究向合金熔體中添加活性劑的方法來促進(jìn)納米顆粒與合金熔體的潤濕性；也有研究采用超聲波制備技術(shù)，利用超聲波產(chǎn)生的高強(qiáng)度力場促使納米團(tuán)簇得以有效分散。然而兩種制備工藝均需要將超聲波探頭或機(jī)械攪拌葉片探入合金液之內(nèi)，這必然會(huì)給高活性的TiAl熔體造成一定的成分污染，而非接觸式的電磁攪拌方法則更適合于制備以高活性熔體為基體的納米復(fù)合材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的是通過在TiAl熔體中加入納米T12，根據(jù)其潤濕性通過適當(dāng)?shù)碾姶艛嚢韫に囍苽涑隽思{米T12在TiAl基體中均勻分散的納米復(fù)合材料。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，提出以下技術(shù)方案:
一種TiAVT12納米復(fù)合材料的制備方法，所述制備方法包括步驟:
步驟1，添加納米T12之前，準(zhǔn)備納米顆粒，并將TiAl母合金錠放入水冷坩堝內(nèi)，抽真空并充高純氬氣；
步驟2，添加納米T12過程中，首先提升功率，使母合金完全熔化，然后降功率使合金液面基本呈平面，加入納米顆粒，待約90%的顆粒卷入合金液后，提升功率至直到合金液面不存在漂浮的納米顆粒；
步驟3，添加納米T12之后，提升功率，電磁攪拌后停功率并隨爐冷卻；將冷卻后的鑄錠翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝，抽真空并充高純氬氣；再次升功率，進(jìn)行電磁攪拌后停功率隨爐冷卻。
[0007]在步驟1，所述T12納米顆粒的準(zhǔn)備包括將納米顆粒用鋁箔進(jìn)行封裝并放入真空磁感應(yīng)懸浮爐的布料斗內(nèi)；TiAl母合金錠放入水冷坩堝后抽真空至5.5X10_3 Pa?6.0 X l(T2Pa，充高純氬氣至400Pa?500Pa。
[0008]在步驟2，所述添加納米T12過程中，首先升功率至95?105kw使母合金完全熔化，然后降功率至35?45kw使合金液面基本呈平面，待約90%的顆粒卷入合金液后，升功率至45^55kw直到合金液面不存在漂浮的納米顆粒。
[0009]在步驟3，添加納米T12之后，將功率升至85、5kw，電磁攪拌f 3min后停功率并隨爐冷卻；將冷卻后的鑄錠翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝，抽真空至5.5X 10_3 Pa飛.0X 10_2Pa，充高純氬氣至400Pa?500Pa。待合金液面上不存在漂浮的顆粒后，再次升功率至85?95kw，電磁攪拌f 3min后停功率隨爐冷卻。
[0010]所述TiAl母合金的成分為Ti (43-47) at.%A1 (0-10) at.%Nb，納米Ti02的添加量為lwt.%-10wt.%o
[0011]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1，所述的TiAl/ T12納米復(fù)合材料的制備方法的具體步驟是:
在步驟1，將T12納米顆粒按Iwt.%配比稱量，將預(yù)先制備的成分為Ti43at%Al母合金錠放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至6.0 X 10_2 Pa，充高純Ar至400Pa ；
在步驟2，提升電磁功率至95kw，使母合金完全熔化；降低功率至35kw，使合金液面基本保持平面；待90%的納米顆粒完全卷入合金液后，升功率至45kw ；
在步驟3，待合金液面不存在漂浮顆粒后，升功率至85kw，電磁攪拌3min后，停功率隨爐冷卻；取出鑄錠并翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至6.0 X 10_2 Pa，充氬氣至400Pa，快速提升功率至85kw，電磁攪拌3min，停功率隨爐冷卻。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例2，所述的TiAl/ T12納米復(fù)合材料的制備方法的具體步驟是:
在步驟1，將T12納米顆粒按5wt.%配比稱量，將預(yù)先制備的成分為Ti45at.%A110at.%Nb母合金錠放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至8.0X 10_3 Pa，充高純Ar至450Pa ；
在步驟2，升電磁功率至lOOkw，使母合金完全熔化。降低功率至40kw，使合金液面基本保持平面，待90%的納米顆粒完全卷入合金液后，升功率至50kw ；
在步驟3，待合金液面不存在漂浮顆粒后，升功率至90kw，電磁攪拌2min后，停功率隨爐冷卻；取出鑄錠并翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至8.0 X 10_3 Pa，充氬氣至450Pa，快速提升功率至90kw，電磁攪拌2min，停功率隨爐冷卻。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例3，所述的TiAl/ T12納米復(fù)合材料的制備方法的具體步驟是:
在步驟1，將T12納米顆粒按1wt.%配比稱量，將預(yù)先制備的成分為Ti47at%Al母合金錠放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至5.5 X 10_3 Pa，充高純Ar至500Pa ；
在步驟2，升電磁功率至105kw，使母合金完全熔化。降低功率至45kw，使合金液面基本保持平面，待90%的納米顆粒完全卷入合金液后，升功率至55kw ；
在步驟3，待合金液面不存在漂浮顆粒后，升功率至95kw，電磁攪拌Imin后，停功率隨爐冷卻；取出鑄錠并翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至5.5X 10_3 Pa，充氬氣至500Pa，快速提升功率至95kw，電磁攪拌lmin，停功率隨爐冷卻。
[0014]本發(fā)明解決了納米顆粒因較高比表面能易于在液態(tài)金屬中形成大規(guī)模團(tuán)聚和團(tuán)簇的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是實(shí)施例1-3中所用納米T12顆粒的原始形貌；
圖2是實(shí)施例1中納米T12在TiAl基體中的分布；
圖3是實(shí)施例1中TiAVT12納米復(fù)合材料的微觀組織。

【具體實(shí)施方式】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0017]實(shí)施例1
將T12納米顆粒按Iwt.%配比稱量，使用鋁箔進(jìn)行封裝備用。將預(yù)先制備的成分為Ti43at%Al母合金錠放入坩堝內(nèi)，將包裹后的T12納米顆粒放入布料斗。將爐內(nèi)真空抽至
6.0X10—2 Pa，充高純Ar至400Pa。升電磁功率至95kw，使母合金完全熔化。降低功率至35kw,使合金液面基本保持平面,傾動(dòng)布料斗布入納米a -Al2O3顆粒。待90%的納米顆粒完全卷入合金液后，升功率至45kw，待合金液面不存在漂浮顆粒后，升功率至85kw，電磁攪拌3min后，停功率隨爐冷卻。取出鑄錠并翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至6.0X 10_2Pa，充氬氣至400Pa，快速提升功率至85kw電磁攪拌3min，停功率隨爐冷卻。
[0018]實(shí)施例2
將T12納米顆粒按5wt.%配比稱量，使用鋁箔進(jìn)行封裝備用。將預(yù)先制備的成分為Ti45at.%A110at.%Nb母合金錠放入坩堝內(nèi)，將包裹后的納米T12顆粒放入布料斗。將爐內(nèi)真空抽至8.0X10—3 Pa，充高純Ar至450Pa。升電磁功率至lOOkw，使母合金完全熔化。降低功率至40kw，使合金液面基本保持平面，傾動(dòng)布料斗布入納米顆粒。待90%的納米顆粒完全卷入合金液后，升功率至50kw，待合金液面不存在漂浮顆粒后，升功率至90kw，電磁攪拌2min后，停功率隨爐冷卻。取出鑄錠并翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至8.0X 10_3Pa，充氬氣至450Pa，快速提升功率至90kw，電磁攪拌2min，停功率隨爐冷卻。
[0019]實(shí)施例3 將T12納米顆粒按lOwt.%配比稱量，使用鋁箔進(jìn)行封裝備用。將預(yù)先制備的成分為Ti47at%Al母合金錠放入坩堝內(nèi)，將包裹后的納米a-Al2O3顆粒放入布料斗。將爐內(nèi)真空抽至5.5Χ10—3 Pa，充高純Ar至500Pa。升電磁功率至105kw，使母合金完全熔化。降低功率至45kw，使合金液面基本保持平面，傾動(dòng)布料斗布入納米顆粒。待90%的納米顆粒完全卷入合金液后，升功率至55kw，待合金液面不存在漂浮顆粒后，升功率至95kw，電磁攪拌Imin后，停功率隨爐冷卻。取出鑄錠并翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至5.5X10_3 Pa，充氬氣至500Pa，快速提升功率至95kw，電磁攪拌lmin，停功率隨爐冷卻。
[0020]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種TiAl/Ti02納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括步驟: 步驟1，添加納米Ti02之前，準(zhǔn)備納米顆粒，并將TiAl母合金錠放入水冷坩堝內(nèi)，抽真空并充高純氬氣； 步驟2，添加納米Ti02過程中，首先提升功率，使母合金完全熔化，然后降功率使合金液面基本呈平面，加入納米顆粒，待約90%的顆粒卷入合金液后，提升功率至直到合金液面不存在漂浮的納米顆粒； 步驟3，添加納米Ti02之后，提升功率，電磁攪拌后停功率并隨爐冷卻；將冷卻后的鑄錠翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝，抽真空并充高純氬氣；再次升功率，進(jìn)行電磁攪拌后停功率隨爐冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiAl/Ti02納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟1，所述Ti02納米顆粒的準(zhǔn)備包括將納米顆粒用鋁箔進(jìn)行封裝并放入真空磁感應(yīng)懸浮爐的布料斗內(nèi)；TiAl母合金錠放入水冷坩堝后抽真空至5.5 X 10_3 Pa?6.0 X 10_2Pa，充高純氬氣至 400Pa?500Pa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiAl/Ti02納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟2，所述添加納米Ti02過程中，首先升功率至95?105kw使母合金完全熔化，然后降功率至35^45kw使合金液面基本呈平面，待約90%的顆粒卷入合金液后，升功率至45飛5kw直到合金液面不存在漂浮的納米顆粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiAl/Ti02納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟3，添加納米Ti02之后，將功率升至85?95kw，電磁攪拌f 3min后停功率并隨爐冷卻；將冷卻后的鑄錠翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝，抽真空至5.5X 10_3Pa飛.0X 10_2Pa，充高純氬氣至400Pa?500Pa； 待合金液面上不存在漂浮的顆粒后，再次升功率至85、5kw，電磁攪拌f 3min后停功率隨爐冷卻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4其中之一所述的TiAl/Ti02納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述TiAl母合金的成分為Ti (43-47) at.%A1 (0-10) at.%Nb,納米Τ?02的添加量為lwt.%-5wt.%0
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的TiAl/Ti02納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 在步驟1，將Ti02納米顆粒按lwt.%配比稱量，將預(yù)先制備的成分為Ti43at%Al母合金錠放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至6.0 X 10_2 Pa,充高純Ar至400Pa ； 在步驟2，提升電磁功率至95kw，使母合金完全熔化；降低功率至35kw，使合金液面基本保持平面；待90%的納米顆粒完全卷入合金液后，升功率至45kw ； 在步驟3，待合金液面不存在漂浮顆粒后，升功率至85kw，電磁攪拌3min后，停功率隨爐冷卻；取出鑄錠并翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至6.0 X10_2 Pa，充氬氣至400Pa，快速提升功率至85kw，電磁攪拌3min，停功率隨爐冷卻。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的TiAl/Ti02納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 在步驟1，將Ti02納米顆粒按5wt.%配比稱量，將預(yù)先制備的成分為Ti45at.%A110at.%Nb母合金錠放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至8.0X 10_3 Pa,充高純Ar至450Pa ；在步驟2，升電磁功率至lOOkw，使母合金完全熔化；降低功率至40kw，使合金液面基本保持平面，待90%的納米顆粒完全卷入合金液后，升功率至50kw ； 在步驟3，待合金液面不存在漂浮顆粒后，升功率至90kw，電磁攪拌2min后，停功率隨爐冷卻；取出鑄錠并翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至8.0X10_3 Pa，充氬氣至450Pa，快速提升功率至90kw，電磁攪拌2min，停功率隨爐冷卻。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的TiAl/ Ti02納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 在步驟1，將Ti02納米顆粒按10wt.%配比稱量，將預(yù)先制備的成分為Ti47at%Al母合金錠放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至5.5 X 10_3 Pa,充高純Ar至500Pa ； 在步驟2，升電磁功率至105kw，使母合金完全熔化；降低功率至45kw，使合金液面基本保持平面，待90%的納米顆粒完全卷入合金液后，升功率至55kw ； 在步驟3，待合金液面不存在漂浮顆粒后，升功率至95kw，電磁攪拌lmin后，停功率隨爐冷卻；取出鑄錠并翻轉(zhuǎn)再次放入坩堝內(nèi)，將爐內(nèi)真空抽至5.5X 10_3 Pa，充氬氣至500Pa，快速提升功率至95kw，電磁攪拌lmin，停功率隨爐冷卻。
【文檔編號】C22C1/10GK104313373SQ201410539071
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】林均品, 張志勇, 梁永鋒, 張來啟 申請人:北京科技大學(xué)