CN101333607B - TiBw/Ti合金基复合材料的制备方法 - Google Patents

TiBw/Ti合金基复合材料的制备方法 Download PDF

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TiBw/Ti合金基复合材料的制备方法,它涉及一种钛合金基复合材料的制备方法。本发明提供了一种钛合金基复合材料的制备方法,解决了现有技术制备钛合金基复合材料存在的塑性指标差、工艺繁琐、成本高等问题。钛合金基复合材料按以下步骤制备:1.机械混粉:按质量百分比将TiB2粉和钛合金粉用球磨机进行机械混粉,混粉时间为4~12小时;2.热压烧结:将混好的复合粉末装入抽真空的密闭容器中进行热压烧结,温度从室温直接加热到1100~1500℃,保持压力为15~30MPa,保压时间为0.5~5小时,冷却到室温后即可得到钛合金基复合材料。本发明所用基体为180~300μm的大粒径钛合金粉,有效降低了成本。

Description

TiBw/Ti合金基复合材料的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种钛合金基复合材料的制备方法。
背景技术
[0002] 由于在钛中加入了其它元素,钛合金的许多性能明显优于纯钛,因此钛合金基复合材料比纯钛基复合材料具有更为广阔的应用前景。目前能耗低,工艺相对简单、容易实现的钛合金基复合材料的制备方法有熔铸法和粉末冶金法。熔铸法制备的钛合金基复合材料存在易出现縮孔、烧损以及组织粗人等缺陷,导致塑性较低,拉伸强度不高。粉末冶金法虽然解决了熔铸法存在的缺陷,但由于本领域技术人员普遍认为粉末冶金法中所用的钛合金粉粒径在150ym以下才能保证钛合金基复合材料的性能,基体和增强体粉末粒径越小,混
合越均匀,所制得的产品的性能就越稳定、越好。目前制备小粒径钛合金粉末的工艺难度大、成本高,导致下游产品价格昂贵,所以一般少有人采用粉末冶金法制备钛合金基复合材料,而且所制出的材料需要二次加工才能得到高力学性能的产品。
发明内容
[0003] 本发明提供了一种钛合金基复合材料的制备方法,解决了现有粉末冶金法生产钛合金基复合材料需要使用高成本的小粒径钛合金粉末,而且还需要二次加工才能提高产品力学性能的问题。
[0004] TiBw/Ti合金基复合材料按以下步骤制备:一、机械混粉:按质量百分比将1. 01 %〜6. 06%的TiB2粉和98. 99%〜93. 94%的钛合金粉用球磨机进行机械湿粉,混粉时间为4〜12小时;二、热压烧结:将混好的复合粉末装入抽真空的密闭容器中进行热压烧结,温度从室温直接加热到1100〜150(TC,保持压力为15〜30MPa,保压时间为0. 5〜5小时,冷却到室温后即可得到钛合金基复合材料;其中,步骤一中Ti合金粉的粒度为180〜300 ii m, TiB2合金的粒度为2〜5 ii m
[0005] 本发明克服了粉末冶金法认为钛合金粉和增强体颗粒越细小越好的偏见。所用钛合金原料的粒度为180〜300 ii m,价格不到小粒度钛合金粉(粒径小于100 y m)的四分之一,有效降低了原料成本,所制得的钛合金基复合材料无需二次加工拉伸强度就可达到lOOOMPa以上,与用小粒径高成本的钛合金粉(粒径小于100 ii m)制备的钛合金基复合材料的抗拉强度相当。本发明用球磨机混粉后,TiB2粉末均匀的附着在大粒径的钛合金粉周围,在进行真空热压烧结以后,这些TiB2粉通过Ti+TiB2 = TiBw反应生成TiBw,使钛合金颗粒和TiBw整合为一体:TiBw具有高的弹性模量,为550GPa,是钛的5倍;且TiBw和Ti合金粉的密度相近,分别为4. 50g/cn^和4. 45g/cm〜热膨胀系数相差小,保证了复合材料在高温下的稳定性和致密性;由于TiBw是原位自生得到,扎根于钛合金颗粒中,能像"销子" 一样深深的嵌入到Ti合金基体中,将较大的钛合金粉末牢固地连接在一起,充分发挥出TiBw增强的效果;晶须在钛合金相变点以上生成,且扎根于钛合金颗粒中,在钛合金降温发生晶格转变过程中,可在更多的形核质点上形核,随炉冷却后得到的是等轴状的a+P组织,这保证了钛合金基复合材料的良好塑性;本发明晶须之间有自生长的相互连接,这能有效提高产品的强度。
[0006] 本发明中,由于机械混粉所用能量不高,不必要用过程控制剂来避免原料的粘结成块,机械混粉后不需要进行脱气就可进行热压烧结得到产品,縮短了工艺流程,降低了生产成本。热压烧结温度为1100〜1500°C,比自蔓延高温合成法的180(TC低了 300〜700°C 。由于烧结压力小,仅为20MPa,可以将机械混粉后的粉末装入复杂形状的模具中,直接热压烧结出相应形状的产品,解决了熔铸法中难以克服的縮孔、烧损、塑性低且强度不高等问题,也解决了粉末冶金法二次加工后难以制备形状复杂零件的问题。整个制备过程对原料、工艺参数的精度要求不高,便于操作。
附图说明
[0007] 图1是具体实施方式十所得钛合金基复合材料的200倍扫描电镜照片;[0008] 图2是具体实施方式十所得钛合金基复合材料的500倍扫描电镜照片;[0009] 图3是具体实施方式十所得钛合金基复合材料中的晶须3000倍扫描电镜照片;[0010] 图4是具体实施方式十所得钛合金基复合材料中的晶须5000倍扫描电镜照片。
具体实施方式
[0011] 本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式,还包括各具体实施方式间的
任意组合。
[0012] 具体实施方式一 :本实施方式TiBw/Ti合金基复合材料按以下步骤制备:一、机械混粉:按质量百分比将1. 01%〜6. 06 %的TiB2粉和98. 99 %〜93. 94%的钛合金粉用球磨机进行机械混粉,混粉时间为4〜12小时;二、热压烧结:将混好的复合粉末装入抽真空的密闭容器中进行热压烧结,温度从室温直接加热到1100〜150(TC,保持压力为15〜30MPa,保压时间为0. 5〜5小时,冷却到室温后即可得到钛合金基复合材料;其中,步骤一中Ti合金粉的粒度为180〜300 ii m, TiB2合金的粒度为2〜5 y m。
[0013] 具体实施方式二 :本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤一中的钛合金选自a+P型双相高强钛合金TC4〜TC21系列。其它步骤及参数与实施方式一相同。[0014] 具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤一中的钛合金选自近a型高温钛合金的TA15〜TA19系列。其它步骤及参数与实施方式一相同。[0015] 具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤一中Ti合金的粒度为180〜250iim。其它步骤及参数与实施方式一相同。
[0016] 具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一的不同点足:步骤一中Ti合金的粒度为251〜300iim。其它步骤及参数与实施方式一相同。
[0017] 具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤一中球磨混粉的条件是:球料比为4 : 1、转速为200转/min、混粉时间为8小时。具它步骤及参数与实施方式一相同。
[0018] 具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤二中的温度从室温直接加热到1200〜140(TC,保持压力为20〜25MPa。其它步骤及参数与实施方式一相同。
4[0019] 具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤二中加压烧结 炉的真空度在5X10—4〜5X10—2Pa。其它步骤及参数与实施方式一相同。 [0020] 具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤二中的保压时 间为1〜3小时。其它步骤及参数与实施方式一相同。
[0021] 具体实施方式十:本实施方式TiBw/Ti合金基复合材料按以下步骤制备:一、机 械混粉:按质量百分比将3. 03%的TiB2粉和96. 97%的钛合金粉混合,所用Ti合金粉为 a + P型双相高强钛合金TC4〜TC21系列中的Ti_6Al_4V (TC4),混粉时间为8小时;二、热 压烧结:将混好的复合粉末装入抽真空的密闭容器中进行热压烧结,温度从室温直接加热 到120(TC,保持压力为20MPa,保压时间为1. 5小时,冷却到室温后即可得到钛合金基复合 材料;其中,步骤一中Ti合金粉的粒度为180〜250 y m, TiB2合金的粒度为2〜5 y m。 [0022] 对本实施方式制备的钛合金基复合材料进行扫描电镜分析,如图1、图2、图3、图4 所示。图1是钛合金基复合材料的200倍扫描电镜照片,它表明钛合金复合材料是一个结 构均一的整体;图2是钛合金基复合材料的500倍扫描电镜照片,它表明TiBw原位自生得 到的TiBw像销子一样扎根于钛合金颗粒中;图3是钛合金基复合材料中的晶须3000倍扫 描电镜照片,它表明TiBw将较大的钛合金粉末牢固地连接在一起;图4是钛合金基复合材 料中的晶须5000倍扫描电镜照片,它表明晶须之间有自生长的相互连接。 [0023] 本实施方式所得到的钛合金基复合材料的拉伸强度为1150MPa,延伸率为2. 5%。 表1是不同方法制备的钛合金基复合材料的性能指标。由表1可以看出,用相同的基体和 增强体为原料,方法1 (熔铸法)制备的钛合金基复合材料的拉伸强度仅为958MPa,没有提 及延伸率或延伸率很低;方法2、3制备的钛合金基复合材料其拉伸强度分别为1082MPa、 967MPa,没有提及延伸率或延伸率很低。方法4制备的钛合金基复合材料其拉伸强度为 1080MPa,延伸率为2% ,与本实施方式的性能指标相差不大,但机械合金化方法存在制备过 程中需要高能量球磨,条件苛刻,周期长,需要添加过程控制剂防止结块,容易引入新的杂 质导致产品塑性低等问题。方法5中钛合金基复合材料的拉伸强度略优于本实施方式,但 是其延伸率只有0. 5%,所用方法为几种方法的组合,工艺流程长,且机械合金化对环境、温 度控制要求高,工艺参数复杂。方法6的钛合金基的延伸率虽然比本实施方式的好,但快速 凝固法设备成本高,工艺过程复杂,需要精确控制多项工艺参数,不利于推广应用。且方法 5、6得到的高性能都是经过二次热挤压加工强化后的性能,而热挤压只能得到细棒材,不利 于加工成大的复杂零件和产品。
[0024] 表1各种不同方法制备的钛基复合材料的性能 [0025]<table>table see original document page 6</column></row> <table>
[0026] 具体实施方式i^一 :本实施方式与具体实施方式十不同的是Ti合金粉为a +|3型 双相高强钛合金TC4〜TC21系列中的Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Zr-2Sn-lNb (TC12)。其它步骤及 参数与实施方式十相同。
[0027] 本实施方式所得到的钛合金基复合材料的拉伸强度为1200MPa,延伸率为2% 。 [0028] 具体实施方式十二 :本实施方式与具体实施方式十不同的是Ti合金粉为a +|3型 双相高强钛合金TC4〜TC21系列中的Ti-13Nb-13Zr (TC21)。其它步骤及参数与实施方式 十相同。
[0029] 本实施方式所得到的钛合金基复合材料的拉伸强度为1280MPa,延伸率为1.9%。 [0030] 具体实施方式十三:本实施方式与具体实施方式十不同的是Ti合金粉为近a型 高温钛合金TA15〜TA19系列中的Ti-6. 5Al-lMo-lV-2Zr (TA15)。其它步骤及参数与实施 方式十相同。
[0031] 本实施方式所得到的钛合金基复合材料的拉伸强度为1170MPa,延伸率为2%。 [0032] 具体实施方式十四:本实施方式与具体实施方式十不同的是Ti合金粉为近a型 高温钛合金TA15〜TA19系列中的Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0. ISi (TA19)。其它步骤及参数与 实施方式十相同。
[0033] 本实施方式所得到的钛合金基复合材料的拉伸强度为1250MPa,延伸率为2. 0% 。

Claims (3)

  1. TiBw/Ti合金基复合材料的制备方法,其特征在于TiBw/Ti合金基复合材料按以下步骤制备:一、机械混粉:按质量百分比将1.01%~6.06%的TiB2粉和98.99%~93.94%的钛合金粉用球磨机进行机械混粉,混粉时间为4~12小时;二、热压烧结:将混好的复合粉末装入抽真空的密闭容器中进行热压烧结,温度从室温直接加热到1100~1500℃,保持压力为15~30MPa,保压时间为0.5~5小时,冷却到室温后即可得到钛合金基复合材料;其中,步骤一中Ti合金粉的粒度为180~300μm,TiB2合金的粒度为2~5μm。
  2. 2. 根据权利要求1所述的TiBw/Ti合金基复合材料的制备方法,其特征在于钛合金粉选自a +13型双相高强钛合金的TC4〜TC21系列。
  3. 3. 根据权利要求1所述的TiBw/Ti合金基复合材料的制备方法,其特征在于钛合金粉选自近a型高温钛合金的TA15〜TA19系列。
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