[发明专利]包括连续合成的铝化钛金属间体复合线材的电力输送电缆

说明书

技术领域

本发明涉及制造在完全致密的铝化钛金属间体(intermetaillic)的基体中均一分布的、原位形成的氧化铝颗粒的线材(wire)形式的燃烧合成的复合材料的方法。

背景技术

铝化钛金属间体基体复合物(TA-IMC)材料提供相比常规合金和其他复合材料优异的性质。TA-IMC材料具有低密度(3.4-3.7g/cc)、高弹性模量(170-210GPa)、高耐磨性和高达900℃的操作温度。相比常规的钢和铝合金，TA-IMC材料提供较大的比强度和比弹性模量。相比常规的连续纤维复合物，例如陶瓷纤维增强的铝和碳、或玻璃纤维增强的聚合材料，TA-IMC材料由于其各向同性的性质提供显著更大的延展性和极佳的横向性质。相比这些其他的常规材料，TA-IMC材料还提供显著更高的操作温度，并且不易受与聚合复合物相关的环境问题，例如由暴露于湿气、热和紫外辐射所致的腐蚀、降解和分层的影响。

金属间体是一种金属合金，其中至少两种组分金属的组成被认为是中间范围，产生通过两种金属原子类型的有序结构形成的固相结晶材料。最常用的铝化钛金属间固相为TiAl、TiAl₃和Ti₃Al，并且由于其优良的机械性能，优选的相为TiAl。取决于组成，为主的TiAl金属间体还可以含有痕量的TiAl₃和Ti₃Al。TiAl金属间相通常由希腊字母γ表示。将其中钛为该组合物大约20-80重量%的相视为中间范围，并且最优选的是59-65重量%的钛的组合物。铝化钛金属间体复合材料由铝化钛金属间基体组成，铝化钛金属间基体通过一些其他材料，通常是陶瓷或金属氧化物，例如氧化铝(Al₂O₃，铝氧)增强。增强材料可以呈颗粒、短纤维或晶须、或连续纤维的形式。可以通过铝(Al)和二氧化钛(TiO₂，钛氧化物(titania))燃烧反应而得到TiAl和氧化铝，来生产含有原位形成的氧化铝颗粒的铝化钛金属间体复合材料。铝和钛氧化物之间的燃烧合成反应已知起始于大于850℃的温度。

尽管它们有许多优点，但已知TA-IMC材料的缺陷阻碍它们在许多工程得到应用。在完全致密的形式中，主体TA-IMC材料的机械和物理性质是优异的；然而，由于在燃烧合成反应期间铝和钛氧化物转变为铝化钛和氧化铝所导致的晶体致密化，所以会产生大量的空隙内容物或孔隙。所得的空隙内容物对TA-IMC材料的机械和物理性质具有显著不利的影响，使其以该状态不可用于实际的工程应用。消除燃烧合成的TA-IMC材料中的孔隙的已知方法是制造陶瓷预成型体，其含有与碱金属钛酸盐，例如化学式为Li₂TiO₃的钛酸锂的颗粒组合的钛氧化物颗粒。然后，用熔融铝渗透刚性且多孔的陶瓷预成型体而形成燃烧前的材料。在远高于铝的熔融温度的温度下自发地发生后续燃烧合成反应期间，钛酸锂被熔融铝化学还原而形成化学式为LiAlO₂的铝酸锂。该方法产生比钛酸锂的密度更低的铝酸锂密度导致的体积膨胀，其进而在燃烧合成期间以足以消除空隙形成的程度抵消铝化钛的致密化。然而，碱金属，例如锂已知是高腐蚀性的，并且含有碱金属的TA-IMC材料不能经受与电能输送电缆相关的高电压、高应力和高温条件。此外，通过包含刚性且多孔的陶瓷预成型体的燃烧前的材料生产TA-IMC材料的方法完全不适于线材的连续制造。

虽然铝化钛金属间合金是已知的，但由于生产合金所需的钛金属和冶金工艺的高成本，就制备用于电力输送电缆的线材而言，这些材料成本过高。相反，燃烧合成的TA-IMC材料是使用低能量、低成本工艺，并利用铝金属和钛氧化物形式的低成本原料来生产的。

鉴于上文所述，存在对于完全致密的TA-IMC材料的需求，所述材料使用低成本工艺和低成本原料，但不使用刚性的陶瓷预成型体或碱金属钛酸盐来生产，并且其在高电压、高应力和高温条件下具有极佳的机械和物理性质。特别地，存在对用于电能输送电缆的TA-IMC线材的需求，所谓线材在负载条件下不具有长期腐蚀和降解的问题，并且可抵御不利的环境要素，例如湿气和紫外辐射。

发明内容