保護層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有保護層的網(wǎng)狀結構Ti基復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]非連續(xù)增強欽基復合材料(Discontinuouslyreinforced titanium matrixcomposites，簡稱DRTMCs)較鈦合金具有更高的比強度、比剛度、耐磨性、與高溫強度，特別是選用大尺寸球形鈦粉為原料，采用低能球磨技術與反應熱壓燒結技術制備的網(wǎng)狀結構TiB晶須增強鈦基(TiBw/Ti)復合材料(ZL200810136852.8)，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的綜合力學性能以及更高的高溫強度，有望作為輕質(zhì)、耐熱、高強結構材料在550?850°C得到廣泛應用。然而，網(wǎng)狀結構TiB晶須增強鈦基(TiBw/Ti)復合材料較差的高溫抗氧化性能嚴重限制了在高溫環(huán)境的應用。雖然，通過制備網(wǎng)狀結構TiCp/Ti復合材料(ZL200910071986.0)可以有效提高其高溫抗氧化性能，但拉伸性能大幅下降，甚至遠遠低于鈦合金。
[0003]傳統(tǒng)鈦合金表面通過濺射、噴涂、滲鋁(粉末包埋滲、氣相滲、料漿滲和熱浸滲)等方法制備的TiAl3鍍層具有較好的高溫抗氧化性能，然而存在以下缺點:一、工藝復雜要求苛刻，并且對設備要求較高；二、由于鍍層內(nèi)部顆粒之間及其與鈦合金之間多為物理或者固相結合，結合較弱；而且制備周期較長，并存在較多的孔洞，抗氧化性能改善效果有限；三、尺寸不能過大，形狀只能是簡單形狀，對工件尺寸與形狀有較大的限制；四、由于打六13與Ti之間熱膨脹系數(shù)不同，受熱后總是存在較多的裂紋而成為氧的擴散通道；由于這種熱膨脹系數(shù)不匹配甚至導致大尺寸工件表面TiAl3涂層的脫落，失去涂層防護能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決目前網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材高溫抗氧化與抗燒蝕性差；以及傳統(tǒng)鈦合金表面制備打413鍍層工藝復雜要求苛刻，對設備要求較高，鍍層與固相結合力弱，制備周期長，孔洞較多、不致密，TiAl3鍍層受熱后總是存在較多的裂紋而成為氧的擴散通道導致大尺寸工件表面TiAl3涂層的脫落等問題，而提供的一種表面具有TiAl 3保護層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料及其制備方法。
[0005]本發(fā)明表面具有TiAl3保護層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料以TiBw/Ti復合材料為基材，表面具有致密的TiAlJl ;且基材表面TiB晶須嵌入TiAl 3層內(nèi)；其中，增強相TiB晶須為網(wǎng)狀分布。
[0006]上述表面具有TiAl3保護層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料按以下步驟制備:
[0007]—、網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料表面拋光，然后用酸性腐蝕液對表面拋光的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料進行腐蝕；
[0008]二、熱浸鋁:將純鋁加熱熔化并保持溫度< 900°C，然后將步驟一酸性腐蝕過的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料浸入熔化的鋁液中；
[0009]三、低溫反應熱處理:將步驟二經(jīng)過熱浸鋁處理的復合材料放入溫度為550?660 °C的環(huán)境中保溫時間2?8h ;
[0010]四、將步驟三低溫反應熱處理過的復合材料放入堿性溶液中反應，即得到表面具有TiAl3保護層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料。
[0011]本發(fā)明表面具有TiAl3保護層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料因其表面具有致密的TiAlJl，大幅提高TiBw/Ti復合材料高溫抗氧化性與抗燒蝕性能。本發(fā)明復合材料中基材表面的TiB晶須嵌入TiAl3層內(nèi)，有效地釘扎和固定TiAl 3鍍層；由于TiB晶須呈網(wǎng)狀分布，所以實際上打六13鍍層是被無數(shù)個小尺寸網(wǎng)狀單元釘扎、固定，有效的避免了 TiAl 3鍍層與鈦基體之間因熱膨脹系數(shù)不同而造成的裂紋或脫落，結合效果好；而且，即使在TiAl3鍍層局部發(fā)生裂紋或者剝離的情況下，其他位置的TiAl3鍍層也不會受到影響，保持鍍層與基材間的結合力不變；因此，本發(fā)明適合用于制備表面具有大尺寸、大面積TiAl3鍍層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料。
[0012]本發(fā)明制備方法可以在不同形狀、不同結構的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料表面制備致密的、單一的TiAl3鍍層。本發(fā)明中TiAl 3鍍層是在熔化的鋁液及低溫反應熱處理過程中形成的，設備與工藝簡單。本發(fā)明在網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料表面制備的TiAl3鍍層致密、無孔洞，受熱后不產(chǎn)生裂紋，TiAl3鍍層不脫落。本發(fā)明采用液態(tài)鋁與鈦反應速度較快的優(yōu)勢，首先采用在熔化的鋁液中先得到11六13與Al混合鍍層，與傳統(tǒng)鈦合金表面制備TiA13鍍層工藝中主要依靠后續(xù)熱處理獲得!1413鍍層相比，能有效降低鍍層制備周期。
[0013]本發(fā)明拓寬了網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料作為輕質(zhì)、耐熱、高強結構材料在高溫環(huán)境下的應用范圍。
【附圖說明】
[0014]圖1是步驟一進行酸性腐蝕后網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料表面的平面掃描電鏡照片。
[0015]圖2是步驟一進行酸性腐蝕后網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料表面的側(cè)面掃描電鏡照片。
[0016]圖3是步驟二熱浸鋁后形成的11六13與Al混合鍍層剖面的掃描電鏡照片。
[0017]圖4是步驟三低溫反應熱處理后TiAl3鍍層剖面的掃描電鏡照片。
[0018]圖5是網(wǎng)狀結構TiB晶須陶瓷相的釘扎固定與分割作用以及TiAl3鍍層的形成及演化過程演示圖。
[0019]圖6是實施例1表面具有TiAl3保護層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料與未有TiAl 3保護層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料在700°C高溫氧化動力學曲線及樣品宏觀照片。
[0020]圖7是實施例5表面具有TiAl3保護層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料與未有TiAl 3保護層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料在800°C高溫氧化動力學曲線及樣品宏觀照片。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】間的任意組合。
[0022]【具體實施方式】一:本實施方式表面具有TiAl3保護層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料以TiBw/Ti復合材料為基材，表面具有致密的TiAlJl ;且基材表面TiB晶須嵌入TiAl 3層內(nèi)；其中，增強相TiB晶須為網(wǎng)狀分布。
[0023]本實施方式中的11413保護層相當于被網(wǎng)狀結構分割為無數(shù)個小尺寸網(wǎng)狀單元，從而利用釘扎與分割雙重效果保持TiAl3鍍層與基材間的結合強度。
[0024]【具體實施方式】二:本實施方式表面具有TiAl3保護層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料按以下步驟制備:
[0025]一、網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料表面拋光，然后用酸性腐蝕液對表面拋光的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料進行腐蝕；
[0026]二、熱浸鋁:將純鋁加熱熔化并保持溫度< 900°C，然后將步驟一酸性腐蝕過的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料浸入熔化的鋁液中；
[0027]三、低溫反應熱處理:將步驟二經(jīng)過熱浸鋁處理的復合材料放入溫度為550?660 °C的環(huán)境中保溫時間2?8h ;
[0028]四、將步驟三低溫反應熱處理過的復合材料放入堿性溶液中反應，即得到表面具有TiAl3保護層的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料。
[0029]本實施方式步驟一進行酸性腐蝕將網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料表面的鈦合金腐蝕掉，留下突出的網(wǎng)狀分布的TiB晶須陶瓷相，如圖1和圖2所示。
[0030]本實施方式步驟二將酸性腐蝕過的網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料浸入熔化的鋁液中，通過鋁與鈦之間的化學反應在網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料表面形成TiAl3鍍層。由于鋁為熔融狀態(tài)，所以反應速度較快，制備耗時少。溫度越高，或者網(wǎng)狀結構TiBw/Ti復合材料浸入時間越長，TiAl3鍍層的厚度越厚。
[0031]因為液態(tài)鋁的擴散速度較快，而固態(tài)的鈦擴散速度較慢，在步驟二熱浸鋁過程中形成的TiAl3鍍層實際是TiAl 3與Al的混合層，如圖3所示。
[0032]本實施方式步驟二熱浸鋁溫度不超過900°C，如果熱浸鋁溫度超過900°C容易形成TiAl、TiAl2、Ti3Al等相，而TiAl、TiAl2、Ti3Al的高