本發(fā)明屬于金屬層狀梯度復(fù)合材料，涉及一種具有梯度性能的金屬間化合物薄壁異形構(gòu)件制造方法。
背景技術(shù)：
1、在航空航天領(lǐng)域，隨著新一代飛行器的飛行速度、飛行距離、飛行載荷等關(guān)鍵指標(biāo)要求的提升，飛行器結(jié)構(gòu)件、熱端部件、發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件的服役條件更加嚴(yán)苛，傳統(tǒng)材料已難以滿足使用需求。金屬間化合物因其高強(qiáng)度、低比重、高導(dǎo)熱性以及在高溫下良好的抗氧化、抗腐蝕性能，成為潛在的替代鎳基高溫合金的高溫材料。
2、現(xiàn)階段，對(duì)于金屬間化合物薄壁構(gòu)件的制造，常規(guī)思路是通過先制備大尺寸金屬間化合物板坯，然后通過塑性成形的方式獲得最終零件，但是由于金屬間化合物的本征脆性，其板坯制備過程與零件成形過程都極為困難。針對(duì)金屬間化合物薄壁構(gòu)件制造難題，發(fā)明專利cn107081345a、cn110142332a提出了采用ni、al箔材反應(yīng)合成制備坯料，然后通過塑性成形制備最終管件的方法。上述技術(shù)方案在一定程度上規(guī)避了金屬間化合物板坯的制備難題，使金屬間化合物薄壁構(gòu)件的成形成為可能。
3、但是，隨著飛行器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，飛行器關(guān)鍵零部件的承載條件也進(jìn)一步復(fù)雜化。以超音速燃燒沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)為例，該發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，氣體燃燒溫度超過2000℃，燃燒室壁存在強(qiáng)烈的熱沖擊；同時(shí)，燃燒室壁的另一側(cè)又要經(jīng)受作為燃料的液氫的冷卻作用，而液氫溫度通常低于-200℃。這樣，燃燒室壁接觸燃燒氣體的一側(cè)要承受極高的溫度，接觸液氫的一側(cè)又要承受極低的溫度。金屬間化合物雖然具有優(yōu)異的高溫服役性能，但是其室溫塑性差、斷裂韌性低，難以滿足復(fù)雜的服役條件。目前，國內(nèi)外研究者采用了微觀組織調(diào)控、合金化、制備復(fù)合材料等方式改善金屬間化合物的力學(xué)性能。公開號(hào)cn103057203a的發(fā)明申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环Nnia1板坯的制備方法，該方法是對(duì)ni箔與a1箔的交替疊層進(jìn)行兩次熱壓復(fù)合,最終得到層狀nia1合金板材，利用層狀微觀組織使nial合金的塑性與韌性獲得提升。但是這種方法獲得材料性能提升有限，仍然難以滿足其使用需求。
4、解決該問題的最佳方式是采用梯度功能材料，針對(duì)不同區(qū)域?qū)π阅艿牟煌枨筮M(jìn)行定制化處理，以溫度特性為例，可在低溫區(qū)采用金屬材料、在高溫區(qū)采用金屬間化合物。目前針對(duì)梯度性能材料的制備方法包括化學(xué)氣相沉積法、物理蒸發(fā)法、等離子噴涂法、顆粒梯度排列法、自蔓延高溫合成法等，但是這些方法制備效率低，且均難以制作大尺寸零件或者坯料。
5、為解決金屬間化合物薄壁異形構(gòu)件制造困難，且常規(guī)均質(zhì)材料難以滿足嚴(yán)苛、復(fù)雜服役條件的問題，需要開發(fā)一種制造具有梯度性能的金屬間化合物薄壁異形構(gòu)件的新方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決tial、nial等金屬間化合物薄壁構(gòu)件制造困難，且常規(guī)均質(zhì)材料難以滿足嚴(yán)苛、復(fù)雜服役條件的問題，本發(fā)明提出了一種具有梯度性能的金屬間化合物薄壁異形構(gòu)件制造方法。
2、本發(fā)明的技術(shù)方案：
3、一種具有梯度性能的金屬間化合物薄壁異形構(gòu)件制造方法，步驟如下：
4、步驟一、構(gòu)件梯度性能設(shè)計(jì)：根據(jù)構(gòu)件服役環(huán)境與所受載荷特點(diǎn)，設(shè)計(jì)構(gòu)件不同部位力學(xué)性能指標(biāo)；例如，在應(yīng)力集中部位優(yōu)選高韌性指標(biāo)，受熱沖擊部位優(yōu)選高溫強(qiáng)度指標(biāo)等。
5、步驟二、構(gòu)件材料分布確定：根據(jù)所設(shè)計(jì)構(gòu)件梯度性能，確定構(gòu)件的材料分布，例如在高溫高強(qiáng)區(qū)域選用極限服役溫度更高的金屬間化合物材料axby、高韌性需求區(qū)域選用以高熔點(diǎn)金屬絲作為增強(qiáng)纖維，以金屬間化合物axby為基體的韌性更好的金屬間化合物復(fù)合材料。
6、步驟三、構(gòu)件材料配比確定：根據(jù)步驟二所確定材料分布，確定不同區(qū)域材料配比；對(duì)于金屬間化合物axby區(qū)域，a、b元素材料體積配比為(x×ma)/ρa(bǔ)：(y×mb)/ρb，x、y分別為目標(biāo)金屬間化合物構(gòu)成元素a和b的原子數(shù)，ma、mb分別為元素a和b摩爾質(zhì)量，ρa(bǔ)、ρb分別為元素a和b密度；對(duì)于以高熔點(diǎn)金屬絲作為增強(qiáng)纖維的金屬間化合物復(fù)合材料，假設(shè)a為高熔點(diǎn)金屬，則材料體積配比比值大于(x×ma)/ρa(bǔ)：(y×mb)/ρb，對(duì)于以b為韌性增強(qiáng)材料的，則材料體積配比比值小于(x×ma)/ρa(bǔ)：(y×mb)/ρb。在金屬間化合物復(fù)合材料中，配比相對(duì)更高的高熔點(diǎn)金屬絲一部分與低熔點(diǎn)金屬反應(yīng)生成金屬間化合物axby，成為復(fù)合材料的基體，一部分仍以金屬單質(zhì)的絲材形式存在，成為復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維。
7、步驟四、金屬絲編織方案設(shè)計(jì)：采用高熔點(diǎn)金屬絲作為絲材，根據(jù)步驟三所確定材料體積配比，設(shè)計(jì)不同位置金屬絲絲徑、間隙、編織方式、編織路徑等，控制高熔點(diǎn)金屬絲在不同的位置占據(jù)的不同的空間體積，而不同位置的不同的空隙體積則對(duì)應(yīng)后續(xù)壓鑄進(jìn)去的低熔點(diǎn)金屬的不同體積占比，最終實(shí)現(xiàn)不同位置的不同材料體積配比。金屬絲編織方式包括平紋、斜紋、緞紋、籃織、梭織、仿梭織等。金屬絲絲徑范圍為0.01-1mm。
8、步驟五、金屬絲編織：根據(jù)步驟四設(shè)計(jì)的金屬絲編織方式，制備金屬編織預(yù)制坯，預(yù)制坯的各處具有不同的金屬絲絲徑、間隙、編織方式等，可以控制不同位置的材料體積配比，從而實(shí)現(xiàn)最終不同位置的不同材料組織性能。
9、步驟六、低熔點(diǎn)金屬壓鑄：將芯模與金屬編織預(yù)制坯放置于壓鑄模具中，將其完全固定，隨后合模將模具加熱至低熔點(diǎn)金屬熔點(diǎn)以上至少50℃，隨后將液態(tài)低熔點(diǎn)金屬灌注至模具中，并保持液體壓力大于0.5mpa，保壓時(shí)間不少于5min，直至液態(tài)金屬充分填充到金屬編織預(yù)制坯的編織空隙中，隨后緩慢冷卻模具及坯料至室溫，取出坯料。
10、步驟七、熱壓燒結(jié)：將壓鑄后的坯料放入熱等靜壓爐中，加熱加壓。首先將坯料加熱至低熔點(diǎn)元素熔點(diǎn)以下5-100℃，保持環(huán)境壓力不低于10mpa，直至低熔點(diǎn)金屬元素完全反應(yīng)，隨后加熱至高熔點(diǎn)元素熔點(diǎn)以下100-500℃，并保持環(huán)境壓力不低于10mpa，直至生成目標(biāo)微觀組織。
11、步驟八、坯料后處理：將熱壓燒結(jié)后的坯料進(jìn)行切割及磨拋處理。
12、本發(fā)明的有益效果：
13、(1)本發(fā)明的一種具有梯度性能的金屬間化合物薄壁異形構(gòu)件制造方法，采用三維編織與壓鑄工藝結(jié)合，可以直接制備具有梯度性能的構(gòu)件，滿足復(fù)雜服役條件。
14、(2)本發(fā)明的一種具有梯度性能的金屬間化合物薄壁異形構(gòu)件制造方法，采用三維編織與壓鑄工藝結(jié)合，直接獲得最終構(gòu)件形狀，避免了脆性金屬間化合物以及梯度材料的成形難題，工藝過程簡單，零件質(zhì)量可靠。
15、(3)本發(fā)明的一種具有梯度性能的金屬間化合物薄壁異形構(gòu)件制造方法，采用金屬網(wǎng)作為基體材料，可以有效通過調(diào)整金屬網(wǎng)絲徑、金屬網(wǎng)孔間隙、網(wǎng)紋類型等參數(shù)，控制最終反應(yīng)合成后板料的微觀組織的晶粒尺寸與分布形式，從而有效實(shí)現(xiàn)材料梯度性能的調(diào)控。
16、(4)本發(fā)明的一種具有梯度性能的金屬間化合物薄壁異形構(gòu)件制造方法，可以制備金屬纖維增強(qiáng)的金屬間化合物化合物，在脆性基體中加入韌性材料，可以有效提升其斷裂韌性，同時(shí)維持其高溫強(qiáng)度。
17、(5)本發(fā)明的一種具有梯度性能的金屬間化合物薄壁異形構(gòu)件制造方法，采用擴(kuò)散反應(yīng)原理進(jìn)行反應(yīng)合成，可以使粗晶與細(xì)晶在三維空間內(nèi)交替分布的，材料粗晶保證材料強(qiáng)度、細(xì)晶使材料韌性獲得增強(qiáng)，兩種晶體的交替存在保證了材料的高溫強(qiáng)度與韌性。