本技术涉及金属间化合物基复合材料技术,具体为一种制备各向同性Ti2AlNb/TiAl基互穿复合材料的新方法。该方法通过隐函数建模设计TPMS构型的Ti2Al,采用特定工艺步骤实现复合材料的制备,旨在提高材料性能和应用范围。
背景技术
TiAl基复合材料在继承TiAl基体本身的优良性能外,同时还兼具了增强体优异的弹性模量和室温/高温强度,从而实现了复合材料在室温/高温下强度、塑性和韧性的良好匹配。目前,常见的TiAl基复合材料有颗粒/晶须增强和连续纤维增强TiAl基复合材料。然而,部分TiAl基复合材料的力学性能提升效果有限,且存在强各向异性等问题,仍是制约其发展的阻碍。为了满足航空航天领域对轻质结构材料日益增长的性能需求,迫切需要进一步开发设计一种新的TiAl基复合材料。
近些年来,研究人员通过调整增强体的构型,试图提高TiAl基复合材料的强塑性,并取得了一些实质性的进展。例如,Wang等人通过放电等离子烧结技术成功制备了增强体呈网状分布的Ti2
AlN/TiAl基复合材料(Y.P.Wang,T.F.Ma,Z,X.Chen,et.al.Superiorhigh-temperature strength-ductility of TiB2
-Ti2
AlN/TiAl composite with core-shell microstructure[J].Materials Science and Engineering:A,2024,889:145873.)。Li等人通过调整连续纤维的分布,制备了纤维呈单向排布、正交排布以及米字型排布的TiNbf
/TiAl基复合材料。研究结果表明,纤维沿载荷方向单向排布时呈现出最佳的强塑性组合,正交排布时性能最差,而米字型排布时性能位于两者之间(李劲光.TiNbf
/TiAl复合材料组织演化特征与力学性能调控[D].西安:西北工业大学博士论文,2023:28-53.)。可见,进行增强体构型的设计是提高复合材料力学性能至关重要的一步。
“物竞天择”驱动着生物体演化出兼具高比强度、高韧性和高冲击韧性的结构材料,其本质上是不同结构形式间的竞争,从而产生各种增韧机制。更有趣的是,生物在长期演化过程中竟相地选择了三周期极小曲面结构(Triply Periodic Minimal Surfaces,TPMS)。例如,在蝴蝶翅膀鳞片、象鼻虫外骨骼和螳螂虾的颚足中发现的TPMS结构(B.Winter,B.Butza,C.Dieker,et.al.Coexistence of both gyroid chiralities inindividual butterfly wing scales of Callophrys rubi[J].Proceedings of theNational Academy of Science of the United States of America,2015,112:12911-12916.)。师法自然,Sun等人利用数字光固化技术打印了两种TPMS结构的氧化锆陶瓷增强体骨架,然后在骨架中浸渗环氧树脂,制备得到氧化锆/环氧树脂基互穿复合材料。结果表明,无论是均匀结构还是梯度结构的TPMS结构增强复合材料,其强度和断裂韧性值都远高于增强体骨架(J.X.Sun,S.X.Yu,J.W.Zhu,et.al.3D printing of ceramic compositewith biomimetic toughening design[J].Additive Manufacturing,2022,58:103027.)。同时,高等人通过无压浸渗技术制备了金属基三维互穿仿生复合材料,其表现出高比强度和出色的能量吸收能力(高萌,冯贺洋,霍军涛等.一种金属基三维互穿仿生复合材料及其制备方法[P].公开号CN 117961032A)。已有大量研究表明,TPMS结构增强体骨架具有在结构设计、力学性能和成形性能三个方面的优势。例如,在结构上具有平滑过渡特点,避免出现桁架类点阵节点处应力集中的现象;同时,在力学性能方面,TPMS受载时应力应变分布更加均匀,具有较弱的各向异性。综上所述,为了获得室温高强韧性且力学性能各向同性的TiAl基复合材料,进行TPMS构型Ti2
AlNb/TiAl基互穿复合材料的研究是迫切的。
实现思路