CN101245428A - 改性TiC/Ti6Al4V复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种改性TiC/Ti6Al4V复合材料及其制备方法。将高纯钛粉、铝粉和碳黑按照一定的化学计量比干混24h，冷压成致密度为50％～60％的预制块，并将其置于真空高温自蔓延反应炉中加热使之反应生成Al/TiC预制合金；然后将这种合金，海绵钛，钒粉，铝粉和硼粉按15vol.％TiC/Ti6Al4V复合材料配比，硼粉的添加量分别为0.01－0.04％，在真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔化，采用电磁场搅拌、熔炼制成改性TiC/Ti6Al4V复合材料。本发明通过在复合材料的制备过程中添加微量元素B，使材料中树枝状增强体TiC的生长受到抑制，并且在降低增强体尺寸的同时，改善增强体的形态，使形成的钛合金基复合材料具有更优良的性能和更广泛的应用范围。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种复合材料，特别是一种钛基复合材料。本发明的目的还在于提供一种改性钛基复合材料的制备方法。
(二)背景技术
钛基复合材料具有较高的室温和高温比强度、低密度和高弹性模量，是航空航天领域和汽车等民用工业上具有广阔应用前景的先进结构材料。美国Dynamet公司研制的TiC增强Ti6Al4V合金，室温刚度较锻造合金提高15％；强度由890MPa提高到1420Mpa，并且这一优势一直保持到650℃；冲击韧性值高达28MPa·mm1/2，可望用于制造火箭壳体，导弹尾翼和航空发动机零件。日本学者制备的TiC增强β钛合金，其成本与普通钢相当，而耐磨性优于StelletNo.6耐磨材料，有望在汽车和民用工程上应用。美国GE公司正在进行该类材料在航空发动机燃烧室主涡流器、压气机静子、低压涡轮翼片和压气机叶片上应用的研究，有些产品已在CF6-80C2发动机和PWA/RR/GE样机上试用。
鉴于TiC增强钛基复合材料具有的应用前景，出现了许多制备方法，如：熔铸法、冷热等静压法、机械合金化法、自蔓延高温合成法、XDTM法等。其中熔铸法工艺简单、可行性好、成本低；增强体原位自生，与基体结合好；可以制备复杂构件，与精密铸造相结合可以近净成形。上海交大和西北有色院在熔铸法制备TiC和TiB颗粒增强钛基复合材料和性能方面进行了较多的研究，广州有色院在钛基复合材料的制备技术方面进行了不少工作。但国内外的研究结果表明，TiC颗粒增强钛基复合材料中的TiC呈树枝状，尺寸较大，它不但影响合金性能的提高，而且容易在后续的变形和使用过程中断裂，导致材料失效。因此对于TiC形态和尺寸的控制已成为进一步提高合金性能的关键。
Tsang等人采用热锻工艺将合金中的树枝状TiC破碎成块状，虽明显地提高了合金性能，但在锻造过程中TiC颗粒内部产生的微裂纹成为材料失效的裂纹源。Lin等人研究冷却速度对TiC形态、结构的影响时发现，冷速不仅可以改变TiC枝晶的大小，还影响TiC的结构。但在一般铸造条件下，采取改变冷却速度细化合金的TiC或控制TiC形态有时难以实现。热处理的方式能够改变TiC的形貌和尺寸，并且也能阻止颗粒中裂纹的发生，但是如果在复合材料的制备过程中就能控制TiC的生长，将不仅在很大程度上提高复合材料的性能，而且还大大简化了后续处理的工艺。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种材料中树枝状增强体TiC的生长受到抑制，并且在降低增强体尺寸的同时，改善增强体的形态，性能优良、应用领域广的改性TiC/Ti6Al4V复合材料。本发明的目的还在于提供一种改性TiC/Ti6Al4V复合材料的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的改性TiC/Ti6Al4V复合材料的重量百分比为：Al为5.5％-6.5％，V为3.5％-4.5％，C为1.4％-2％，B为0.01％-0.04％，余量为Ti。
本发明的改性TiC/Ti6Al4V复合材料是采用这样的方法来制备的：将99.2％、45μm的高纯钛粉，99.6％、29μm的铝粉和99.8％、＜0.05μm的碳黑按照(40-60)at％Al-(30-20)at％Ti-(30-20)at％C的化学计量比干混24h，冷压成致密度为50％～60％的预制块，并将其置于真空高温自蔓延反应炉中加热使之反应生成Al/TiC预制合金；然后将这种合金，海绵钛，99.9％、20μm的钒粉，99.6％、29μm的铝粉和98％、45μm的硼粉按15vol.％TiC/Ti6Al4V复合材料配比，98％、45μm的硼粉的添加量分别为0.01％-0.04％，在真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔化，采用电磁场搅拌、熔炼。
本发明通过在复合材料的制备过程中添加微量元素B，使材料中树枝状增强体TiC的生长受到抑制，并且在降低增强体尺寸的同时，改善增强体的形态，使形成的钛合金基复合材料具有更优良的性能和更广泛的应用范围。
与现有技术相比，本发明具有操作工艺简单，无需专用设备，容易实现的优点，只需要通过调整合金的化学成分和添加微量元素，便可达到对复合材料中粗大树枝状增强体TiC细化的目的。此技术既避免了用热锻方法细化枝晶时出现的枝晶相开裂现象，也避免了通过后续热处理来进行改性的复杂工序。本发明通过添加微量元素B处理TiC/Ti6Al4V复合材料，不仅可以降低树枝状增强体TiC的尺寸，而且可以改善增强体的形态，可使TiC/Ti6Al4V复合材料中粗大的树枝状TiC演变为弥散分布于Ti6Al4V合金基体中的细小近似于链条状、短棒状、甚至成颗粒状的TiC相，从而可提高TiC/Ti6Al4V复合材料的综合力学性能。
(四)附图说明
图1为未添加B时的TiC/Ti6Al4V复合材料中TiC的形貌图。
图2为B添加量为0.01％时TiC/Ti6Al4V复合材料中TiC的形貌图。
图3为B添加量为0.02％时TiC/Ti6Al4V复合材料中TiC的形貌图。
图4为B添加量为0.04％时TiC/Ti6Al4V复合材料中TiC的形貌图。
(五)具体实施方式
下面举例对本发明做更详细地描述：
实施例1：
将高纯钛粉(99.2％，45μm)，铝粉(99.6％，29μm)和碳黑(99.8％，＜0.05μm)按照一定(40-60)at％Al-(30-20)at％Ti-(30-20)at％C的化学计量比干混24h，冷压成致密度为50％～60％的预制块，并将其置于真空高温自蔓延反应炉中加热使之反应生成Al/TiC预制合金。然后将这种合金，海绵钛，钒粉(99.9％，20μm)和铝粉(99.6％，29μm)按15vol.％TiC/Ti6Al4V复合材料配比，在真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔化，采用电磁场搅拌，每次熔炼量为40g。对采用本发明得到的铸态复合材料试样做金相组织观察，结果如图1所示。可以看出，15vol.％TiC/Ti6Al4V复合材料中的TiC枝晶非常粗大，平均尺寸在150μm左右。
实施例2：
首先按成分配比制成Al/TiC预制合金。然后将这种合金，海绵钛，钒粉(99.9％，20μm)、铝粉(99.6％，29μm)和硼粉(98％，45μm)按15vol.％TiC/Ti6Al4V复合材料配比，B的添加量为0.01％，在真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔化，采用电磁场搅拌，每次熔炼量为40g。对采用本发明得到含B的铸态复合材料试样做金相组织观察，结果如图2所示。从图中可以看出，与未加B的铸态复合材料中TiC形貌(图1)相比，采用本发明提出的方法处理后，TiC枝晶明显细化，分布也更加均匀，平均尺寸为100μm左右。
实施例3：
首先按成分配比制成Al/TiC预制合金。然后将这种合金，海绵钛，钒粉(99.9％，20μm)、铝粉(99.6％，29μm)和硼粉(98％，45μm)按15vol.％TiC/Ti6Al4V复合材料配比，B的添加量为0.02％，在真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔化，采用电磁场搅拌，每次熔炼量为40g。对采用本发明得到含B的铸态复合材料试样做金相组织观察，结果如图3所示。从图中可以看出，采用本发明提出的方法处理后，TiC枝晶进一步细化，平均尺寸减少到70μm左右且有棒状和链条状TiC出现。
实施例4：
首先按成分配比制成Al/TiC预制合金。然后将这种合金，海绵钛，钒粉(99.9％，20μm)、铝粉(99.6％，29μm)和硼粉(98％，45μm)按15vol.％TiC/Ti6Al4V复合材料配比，B的添加量为0.04％，在真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔化，采用电磁场搅拌，每次熔炼量为40g。对采用本发明得到含B的铸态复合材料试样做金相组织观察，结果如图3所示。从图中可以看出，采用本发明提出的方法处理后，TiC枝晶继续细化，分布更加均匀，平均尺寸达到50μm左右，甚至出现短棒状和颗粒状TiC。说明采用本发明提出的方法处理TiC/Ti6Al4V复合材料，可使复合材料中的枝晶相TiC得到有效的细化。
从上述试验可以得出本发明的优点是，合金化元素B可使TiC/Ti6Al4V复合材料中粗大的树枝状增强体TiC演变为弥散分布于Ti6Al4V合金基体中的细小近似于链条状、短棒状、甚至成颗粒状的TiC相，从而可提高TiC/Ti6Al4V复合材料的综合力学性能。因此，本发明为进一步提高TiC/Ti6Al4V复合材料的性能开辟了一条新途径。
Claims (6)
1、一种改性TiC/Ti6Al4V复合材料，其特征是：重量百分比为：Al为5.5％-6.5％，V为3.5％-4.5，C为1.4％-2％，B为0.01％-0.04％，余量为Ti。
2、根据权利要求1所述的改性TiC/Ti6Al4V复合材料，其特征是：重量百分比为：Al为5.5％-6.5％，V为3.5％-4.5％，C为1.4％-2％，B为0.01％，余量为Ti。
3、根据权利要求1所述的改性TiC/Ti6Al4V复合材料，其特征是：重量百分比为：Al为5.5％-6.5％，V为3.5％-4.5％，C为1.4％-2％，B为0.02％，余量为Ti。
4、根据权利要求1所述的改性TiC/Ti6Al4V复合材料，其特征是：重量百分比为：Al为5.5％-6.5％，V为3.5％-4.5％，C为1.4％-2％，B为0.04％，余量为Ti。
5、根据权利要求3所述的改性TiC/Ti6Al4V复合材料，其特征是：重量百分比为：Al为6％，V为4％，C为2％，B为0.02％，余量为Ti。
6、一种改性TiC/Ti6Al4V复合材料的制备方法，其特征是：将99.2％、45μm的高纯钛粉，99.6％、29μtm的铝粉和99.8％、＜0.05μm的碳黑按照(40-60)at％Al-(30-20)at％Ti-(30-20)at％C的化学计量比干混24h，冷压成致密度为50％～60％的预制块，并将其置于真空高温自蔓延反应炉中加热使之反应生成Al/TiC预制合金；然后将这种合金，海绵钛，99.9％、20μm的钒粉，99.6％、29μm的铝粉和98％、45μm的硼粉按15vol.％TiC/Ti6Al4V复合材料配比，98％、45μm的硼粉的添加量分别为0.01％-0.04％，在真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔化，采用电磁场搅拌、熔炼。
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