CN100582269C

CN100582269C - RE2O3、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN100582269C
Application number: CN200710046913A
Authority: CN
Inventors: 吕维洁; 卢俊强; 刘阳; 覃继宁; 张荻
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Zhejiang Jiati Metal Technology Co ltd
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2027-10-11
Also published as: CN101135016A

Abstract

一种材料制备技术领域的Re₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料及其制备方法，所述材料的组分及其重量百分比如下：稀土六硼化物含量在0.01%～4.31%之间，碳化硼含量在0.01%～4.58%之间，合金化元素含量在0%～11.04%之间，余量为钛。按照各组分的重量百分比称取钛粉、稀土六硼化物、碳化硼、合金化元素；采用混合方法将粉末混合均匀，采用成型方法将混合粉末压制成具有预定外形的生坯，将生坯放入真空烧结炉中进行烧结，随炉冷却即得原位自生增强钛基复合材料。本发明简捷、低成本制备高性能的钛基复合材料，并通过调整不同增强体含量、摩尔比值及基体合金成分制备所需的复合材料。

Description

RE2O3、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种复合材料技术领域的增强材料及其制备方法，具体的说，涉及的是一种Re₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

钛具有密度小、比强度高、耐高温、耐低温、耐蚀性、抗阻尼性能强、导热系数小、无磁性、无毒性、线膨胀系数小等优点。钛的应用已经从最初的航空航天及军事领域扩展到现代社会的能源、电力、石油、化工、生物、医药等各个行业及日常生活中，取得了良好的经济效益和社会效益。传统的钛合金材料发展到接近某种性能极限时，出现了由固溶强化钛合金向钛铝金属间化合物和钛基复合材料转移的趋势。与连续纤维增强的钛基复合材料相比，颗粒增强的钛基复合材料具有各向同性、制备工艺简单、二次加工性好和成本低等优点，在航空航天、先进武器系统等领域有着广阔的应用。例如，使用钛基复合材料可以大幅度减轻汽车车身自重、减少燃料消耗、减少尾气污染和降低噪音等，但是由于目前制备钛基复合材料，尤其是加工复杂形状的零件的成本太高而大大限制了其应用，只是在赛车和高级轿车上获得应用。因此，必须继续降低钛基复合材料制备和加工的成本才能更多的应用到汽车工业。

利用增强体的原位合成法，避免了外加增强体的污染问题和熔铸过程中存在的陶瓷颗粒与基体合金的润湿性问题，可制备出性能更好的颗粒增强钛基复合材料。然而，具有高硬度的增强体分布于软的基体上，使得颗粒增强钛基复合材料的机械加工性能变差；另一方面，有些形状复杂的构件采用机械加工难以完成，这限制了复合材料的应用和发展。而粉末冶金具有近净成形的特点，不但节约原材料的消耗，还可以大幅度降低加工成本，因此粉末冶金是制备钛基复合材料构件尤其是复杂构件的理想方法。

经对现有技术文献的检索发现，于兰兰等人在《稀有金属快报》，2006，25(4)：1-5，撰文“颗粒增强钛基复合材料研究新进展”，该文介绍了日本的Toyota公司自1998年以来采用粉末冶金技术制备了原位反应生成的TiB颗粒增强钛基复合材料，并已在汽车发动机进、排气阀等部件得到应用。但是该复合材料采用的是单一的TiB颗粒增强体，因此获得的复合材料性能单一，综合力学性能差，限制了其应用范围。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种Re₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料及其制备方法，使其将传统的粉末冶金方法与原位合成技术有机的结合起来，利用钛粉(Ti)、稀土六硼化物(ReB₆)、钛粉中的氧([O])和碳化硼(B₄C)之间的反应，简单快捷、低成本的制备出增强体分布更加均匀、增强体与基体界面结合更好、综合力学性能优异的混杂增强的钛基复合材料构件。该方法适合大批量工业生产，能满足对低成本、高性能钛基复合材料的迫切需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及的Re₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料，包含的组分及其重量百分比如下：稀土六硼化物含量在0.01％～4.31％之间，碳化硼含量在0.01％～4.58％之间，合金化元素含量在0％～11.04％之间，余量为钛。

所述的稀土六硼化物，其稀土元素是指所有的铈组和钇组元素中的一种。

所述合金化元素，包括Al、Sn、Zr、V、Mo等所有传统钛合金的合金化元素的一种或几种，合金化元素的成分可以根据所需性能的要求进行调整。加入较多的α稳定元素如Al元素可以提高复合材料的热强性；较多的中性元素如Sn、Zr等元素可以同时提高复合材料的热强性和焊接性；而加入较多的β稳定元素如V、Mo等元素可以提高复合材料的韧性和加工性能等。

本发明涉及的Re₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的制备方法，包括如下具体步骤：

步骤一，按照各组分的重量百分比称取钛粉、稀土六硼化物、碳化硼、合金化元素；

步骤二，采用混合方法将步骤一称取的粉末混合均匀；

所述混合方法，是指V型混合机或球磨机的混合方法。

步骤三，采用成型方法将步骤二中混合均匀的粉末压制成具有预定外形的生坯；

所述成型方法，是指模压成型或冷等静压成型方法。

步骤四，将制备好的生坯放入真空烧结炉中进行烧结，生成增强体。

所述真空烧结炉，其中真空度控制在1×10^-1Pa～1×10^-3Pa之间。

所述烧结，其温度控制在1200℃～1500℃之间，烧结时间为2～18小时；

所述生成增强体，按下列反应式进行：

(12a+5b+x)Ti+2aReB₆+3a[O]+bB₄C＝aRe₂O₃+(12a+4b)TiB+bTiC+xTi

其中，ReB₆是稀土六硼化物，[O]是钛粉中的氧，Ti是钛粉，B₄C是碳化硼。

Re₂O₃、TiB和TiC为增强体，a表示稀土六硼化物的摩尔数，b表示碳化硼的摩尔数，其摩尔比为Re₂O₃∶TiB∶TiC＝a∶(12a+4b)∶b，其摩尔比值可以通过添加不同含量的稀土六硼化物、碳化硼来改变。

所述增强体，其体积分数总和控制在1％～25％之间。

步骤五，烧结后随炉冷却，即得到原位自生混杂增强钛基复合材料。

根据本发明方法制备的钛基复合材料，经热锻、热轧等二次加工工艺制备成形，经模压成型能实现近净成形制备钛基复合材料构件。

与现有技术相比，本发明在不改变传统的粉末冶金的制备设备和工艺流程的情况下，简单快捷、低成本的制备综合力学性能优异的钛基复合材料，并且可以通过调整增强体含量、增强体摩尔比和基体合金成分制备不同性能的复合材料以满足不同需求。稀土六硼化物在钛合金里可以起到细化晶粒的作用，晶粒尺寸减小1％～30％，疲劳性能提高1％～24％，TiB可以极大提高钛基复合材料室温强度和室温模量，提高幅度分别为1％～32％和1％～29％，而TiC可以明显改善钛基复合材料的硬度和耐磨性，提高幅度分别为1％～23％和1％～25％，因此，本发明方法制备的Re₂O₃、TiB和TiC混杂增强的钛基复合材料的综合力学性能优异。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

制备增强体体积分数为1％的(Nd₂O₃+TiB+TiC)/Ti复合材料(Nd₂O₃∶TiB∶TiC＝6∶76∶1)。

按照配比称取钛粉99.56％、稀土六硼化物六硼化钕0.43％和碳化硼0.01％，采用球磨机将上述粉末混合均匀，采用模压成型将混合好的粉术压制成具有预定外形的生坯，将制备好的生坯放入真空烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-3Pa，烧结温度1200℃，烧结时间为2小时，最后随炉冷却，即得原位自生钛基复合材料。所得复合材料相比不含增强体的钛合金，晶粒尺寸减小3％，疲劳性能提高2％，室温强度提高1％，室温模量提高1％，硬度提高1％，耐磨性提高1％。

实施例2

制备增强体体积分数为1％的(Nd₂O₃+TiB+TiC)/Ti复合材料(Nd₂O₃∶TiB∶TiC＝1∶572∶140)。

按照配比称取钛粉99.56％、稀土六硼化物六硼化钕0.01％和碳化硼0.19％，采用球磨机将上述粉末混合均匀，采用模压成型将混合好的粉末压制成具有预定外形的生坯，将制备好的生坯放入真空烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-2Pa，烧结温度1500℃，烧结时间为10小时，最后随炉冷却，即得原位自生钛基复合材料。所得复合材料相比不含增强体的钛合金，晶粒尺寸减小1％，疲劳性能提高1％，室温强度提高3％，室温模量提高3％，硬度提高2％，耐磨性提高2％。

实施例3

制备增强体体积分数为5％的(La₂O₃+TiB+TiC)/Ti-6Al-4V复合材料(La₂O₃∶TiB∶TiC＝1∶24∶3)。

按照配比称取钛粉(88.99％)、稀土六硼化物六硼化镧(1.06％)、碳化硼(0.43％)和合金化元素所需的铝钒中间合金6.92％(含钒55％)和铝丝2.60％。采用球磨机将上述粉末混合均匀，采用冷等静压成型将混合好的粉末压制成具有预定外形的生坯，将制备好的生坯放入真空烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-2Pa，烧结温度1400℃，烧结时间为10小时，最后随炉冷却，即得原位自生钛基复合材料。所得复合材料相比不含增强体的钛合金，晶粒尺寸减小10％，疲劳性能提高6％，室温强度提高8％，室温模量提高10％，硬度提高6％，耐磨性提高6％。

实施例4

制备增强体体积分数为15％的(Y₂O₃+TiB+TiC)/Ti-10V-2Fe-3Al复合材料(Y₂O₃∶TiB∶TiC＝5∶64∶1)。

按照配比称取钛粉(82.61％)、稀土六硼化物六硼化钇(4.31％)、碳化硼(0.16％)和合金化元素所需的铝钒中间合金11.04％(含钒78％)、铝丝0.16％和铁粉1.72％。采用V型混合机将上述粉末混合均匀，采用模压成型将混合好的粉末压制成具有预定外形的生坯，将制备好的生坯放入真空烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-1Pa，烧结温度1500℃，烧结时间为18小时，最后随炉冷却，即得原位自生钛基复合材料。所得复合材料相比不含增强体的钛合金，晶粒尺寸减小30％，疲劳性能提高24％，室温强度提高22％，室温模量提高20％，硬度提高15％，耐磨性提高16％。

实施例5

制备增强体体积分数为25％的(Ce₂O₃+TiB+TiC)/Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si复合材料(Ce₂O₃∶TiB∶TiC＝1∶412∶100)。

按照配比称取钛粉(85.25％)、稀土六硼化物六硼化铈(0.34％)、碳化硼(4.58％)、铝钼中间合金2.99％(含钼50％)和合金化元素所需的钛锡中间合金2.30％(含锡65％)、铝丝2.99％、锆2.99％和结晶硅0.06％，采用V型混合机将粉末混合均匀，采用模压成型将混合好的粉末压制成具有预定外形的生坯，将制备好的生坯放入真空烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-2Pa，烧结温度1400℃，烧结时间为10小时，最后随炉冷却，即得原位自生钛基复合材料。所得复合材料相比不含增强体的钛合金，晶粒尺寸减小9％，疲劳性能提高6％，室温强度提高32％，室温模量提高29％，硬度提高23％，耐磨性提高25％。

Claims

1、一种RE₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤一，按照各组分的重量百分比称取钛粉、稀土六硼化物、碳化硼、合金化元素，其中：稀土六硼化物含量在0.01％～4.31％之间，碳化硼含量在0.01％～4.58％之间，合金化元素含量在0％～11.04％之间，余量为钛；

步骤二，采用混合方法将步骤一称取的粉末混合均匀；

步骤四，将制备好的生坯放入真空烧结炉中进行烧结，生成增强体；

2、根据权利要求1所述的RE₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的制备方法，其特征是，所述的稀土六硼化物，其稀土元素是所有的铈组和钇组元素中的一种。

3、根据权利要求1所述的RE₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的制备方法，其特征是，所述合金化元素，包括所有钛合金的合金化元素中的一种或几种。

4、根据权利要求1所述的RE₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的制备方法，其特征是，所述混合方法，是指V型混合机或球磨机混合方法。

5、根据权利要求1所述的RE₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的制备方法，其特征是，所述成型方法，是指模压成型或冷等静压成型方法。

6、根据权利要求1所述的RE₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的制备方法，其特征是，所述真空烧结炉，其真空度控制在1×10^-1Pa～1×10^-3Pa之间。

7、根据权利要求1所述的RE₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的制备方法，其特征是，所述烧结，其温度控制在1200℃～1500℃之间。

8、根据权利要求1或7所述的RE₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的制备方法，其特征是，所述烧结，其时间为2～18小时。

9、根据权利要求1所述的RE₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的制备方法，其特征是，所述的增强体，其体积分数总和控制在1％～25％之间。