[发明专利]一种高断裂韧性双态钛铝基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高断裂韧性双态钛铝基复合材料及其制备方法，包括以下原子数百分比的组分：Nb元素粉末2~5％，余量为Ti‑XAl‑YNb‑0.4W(at.%)预合金粉末，X为40~50，Y为5~10。通过粉末冶金技术和包套锻造制备了含塑性Nb颗粒增韧的高Nb‑TiAl复合材料，制备方法简单易操作，制备工艺流程简单。制得的双态钛铝基复合材料组织中含有细小的γ‑TiAl基体组织以及尺寸约为100μm随机分布的基体组织中的Nb颗粒，该Nb颗粒由纯Nb相以及包裹在纯Nb相周围的β相和条带状ω相组成，有效延缓钛铝基合金中裂纹扩展，进而提高了复合材料的断裂韧性、强度和塑性，因此有望用于航空航天耐高温结构部件，有效扩宽了钛铝基复合材料的应用范围。

技术领域

本发明涉及钛铝基复合材料的制备方法，尤其涉及一种高断裂韧性双态钛铝基复合材料及其制备方法，属于钛铝材料加工技术领域。

背景技术

钛铝基合金材料作为先进的高温结构材料，由于其具有低密度、良好的高温强度、高抗氧化性和抗蠕变性等，使之优于目前广泛使用的金属及其合金，是一类很有发展前景的高温结构材料。目前在航天航空、汽车和能源等工业领域备受关注。其中PM-TiAl基合金材料作为一类重要的钛铝基合金材料正被广泛应用，也是多年来的研究热点。

采用粉末冶金技术可制备成分均匀、组织细小的钛铝基合金材料，不仅解决了传统铸造法带来的组织粗大、疏松和成分偏析的问题，并且能够有效解决钛铝基合金难以加工成形的问题，制得高质量的钛铝基合金坯料。然而，PM-TiAl基合金材料较差的断裂韧性和致密度限制了其进一步的应用。

近年来，已有不少学者对PM-TiAl基合金材料性能的改善进行了一定研究。在TiAl合金基体上添加的细小陶瓷颗粒，可以在一定程度上提高TiAl合金的断裂韧性，如发明专利CN201310711330.7公开了一种Ti₃AlC₂-Ti₂AlC/TiAl基复合材料及其制备方法，通过加入增强相Ti₂AlC和Ti₃AlC₂提高合金的性能，其弯曲强度为148～316MPa，断裂韧性为3.88～7.28MPa·m^1/2，但是第二相陶瓷颗粒偏聚不可避免，造成合金的塑性及强度的极大降低。在脆性金属化合物基体中添加塑性第二相可以有效提高材料的断裂韧性，这是由于塑性相可以有效吸收裂纹扩展能量，阻碍了裂纹的扩展。再者，根据热处理方式的不同，可以得到TiAl基合金四种典型的显微组织状态: 近γ组织、双态组织、近层片组织及全层片组织；研究已表明其中含全层片组织的钛铝基合金材料具有最高的断裂韧性，由于其层片状的组织结构使得已产生的裂纹难以继续扩展，因而，大部分研究集中在全层片TiAl基复合材料上，然而全片层组织需将合金加热到单相α相区进行热处理，在此高温单相条件下晶粒长大严重，导致全片层团尺寸粗大，粗大的全层片组织使得钛铝基合金材料的室温塑性及强度等性能并不理想，限制了其应用。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高断裂韧性双态钛铝基复合材料及其制备方法，解决现有钛铝基合金具有断裂韧性能、塑性和强度不佳及致密度较低的问题，限制其应用范围。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种高断裂韧性双态钛铝基复合材料，包括以下原子数百分比的组分：Nb元素粉末2~5％，余量为Ti-XAl-YNb-0.4W预合金粉末，X为40~50，Y为5~10；其中基体组织为Ti-XAl-YNb-0.4W (at.%)预合金粉末，增强颗粒选用Nb元素粉末。