CN101713043B - 一种颗粒增强钛基复合材料及制备方法 - Google Patents

一种颗粒增强钛基复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种颗粒增强钛基复合材料，包含3～20wt％Mo2C或VC中的至少一种金属碳化物，余量为金属钛。其制备方法是按各组分配比取Mo2C、VC或两者的混合物与氢化脱氢钛粉末，充分混合后压制成型，高温烧结，将烧结后的坯体在900～1200℃高温变形。本发明工艺方法简单、操作容易、组分配比合理、颗粒增强相与基体结合良好，分布均匀、强度高、耐腐蚀、高温性能好、能耗低、生产效率高，适于工业化生产，产业化前景良好。

Description

一种颗粒增强钛基复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种颗粒增强钛基复合材料及制备方法，属于粉末冶金材料技术领域。
背景技术
钛及钛合金由于具有比强度高、耐腐蚀、高温性能好等优点，已经在航空、航天、化工和能源等领域取得了较为广泛的应用，并日益成为一种具有良好综合性能的结构材料。钼和钒是钛合金中常用的合金元素，它与β钛具有相同的晶格类型，在β钛中无限固溶，形成连续固溶体，对钛合金有很好的固溶强化作用，并能提高钛合金的耐蚀性能。TiC颗粒的硬度、熔点、比强度和比刚度高以及化学稳定性好，特别是TiC颗粒与钛基体匹配性能好以及在基体中很难形成反应层，因此常作为颗粒增强相添加到钛合金中制备钛基复合材料来提高基体的耐磨性能以及高温力学性能。因而出现了以Ti-Mo或Ti-V等体系为基体的碳化钛颗粒增强钛基复合材料。然而钼、钒合金元素在铸造过程中易于使合金成分和组织发生严重偏析，提高了合金铸造和后续加工的难度。同时用铸造方法制备原位生成碳化钛增强钛基复合材料时，碳化钛在基体中易于成粗大枝晶状生长，为了充分发挥碳化钛的增强效果，必须采取合适工艺破碎碳化钛枝晶。然而含粗大碳化钛枝晶的复合材料的热加工非常困难。综上所述，采用传统的铸造方法制备钛基复合材料特别是钼、钒含量高的钛基复合材料，制备工艺复杂，热加工非常困难，有必要开发新的制备工艺。
发明内容
本发明的目的在于在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操作容易、组分配比合理、颗粒增强相与基体结合良好，分布均匀、强度高、耐腐蚀、高温性能好、能耗低、生产效率高的颗粒增强钛基复合材料及制备方法。
本发明一种颗粒增强钛基复合材料，其成分范围为：3～20wt％金属碳化物，余量为金属钛。
本发明中，所述金属碳化物选自Mo2C或VC中的至少一种。
本发明一种颗粒增强钛基复合材料的制备方法是采用下述方案实现的：
按各组分配比取Mo2C、VC或两者的混合物与氢化脱氢钛粉末，充分混合后压制成型，高温烧结，将烧结后的坯体在900～1200℃高温变形。
本发明中，所述Mo2C、VC粉末的平均粒度在3～10μm，氢化脱氢钛粉末的平均粒度为38μ m～147μ m。
本发明中，所述压制成型采用冷等静压成型或模压成型，压制压力为150MPa～400MPa。
本发明中，所述高温烧结采用真空烧结，真空度为1.0×10-3Pa～1.0×10-2Pa。
本发明中，所述的高温烧结温度为1250～1400℃，烧结时间为1～3小时。
本发明中，所述高温变形为轧制或挤压，轧制或挤压比为10～123。
本发明由于采用上述工艺方法，以金属碳化物的形式添加碳元素和钛合金中的β相稳定元素，通过真空高温烧结，颗粒增强相在烧结过程中原位生成，碳化钛颗粒增强相与基体有洁净、结合良好的界面，分布均匀；将烧结后的颗粒增强钛基复合材料进行高温变形，获得全致密的颗粒增强钛基复合材料；采用元素粉末冶金方法制备出的不完全致密钛合金坯体，能够采用高的加热温度和低吨位的变形设备；一火加热，可有效降低能耗，提高生产效率；采用粉末冶金高温真空烧结工艺，可在钛基复合材料中引入高含量的β稳定元素而不产生偏析，合金元素分布均匀；所制备的钛基复合材料具有良好的高温及低温力学性能，克服了传统的铸造方法制备钛基复合材料特别是钼、钒含量高的钛基复合材料，制备工艺复杂，热加工非常困难的弊端。
综上所述，本发明工艺方法简单、操作容易、组分配比合理、颗粒增强相与基体结合良好，分布均匀、强度高、耐腐蚀、高温性能好、能耗低、生产效率高，适于工业化生产，产业化前景良好。
附图说明
附图1为本发明实施例3所制备的Ti+12％Mo2C钛基复合材料的金相照片。
附图2为本发明实施例5所制备的Ti+20％VC钛基复合材料的金相照片。
附图3为本发明实施例3所制备的Ti+12％Mo2C钛基复合材料的扫描电镜照片。
从附图1、2和3可以看出，钛基复合材料由TiC粒子镶嵌在Ti基体组织中构成，碳化钛颗粒增强相与基体有洁净、结合良好的界面，分布均匀。
具体实施方式
下面结合本发明具体实施例1～7对本发明进行详细说明，实施例1～7所制备的钛基复合材料室温力学性能参数见表1,400℃高温力学性能参数见表2；表1、表2中TC4合金作为对比例，TC4合金力学性能参数选自国家标准：GB/T2965-2007。
实施例1
分别称取平均粒度3μm的Mo2C合金粉末0.3Kg，平均粉末粒度为38μm的氢化脱氢钛粉9.7Kg，将上述粉末充分混合并在150MPa压力下压制成棒状坯体，然后将压制坯放入真空烧结炉中在1.0×10-3Pa真空度下通过1350℃/3小时烧结制成Ф122钛基复合材料烧结坯。再将烧结后的坯体经过1100℃一火次加热后挤压成Ф11棒材，挤压比为123。
实施例2
分别称取平均粒度10μm的Mo2C合金粉末0.18Kg，平均粒度147μm的氢化脱氢钛粉2.82Kg，将上述粉末充分混合并在400MPa压力下压制成型，然后将压制坯放入真空烧结炉中在1.0×10-2Pa真空度下通过1250℃/2小时烧结制成Ф76钛基复合材料烧结坯。再将烧结后的坯体经过1000℃加热后挤压成Ф12棒材，挤压比为40。
实施例3
分别称取平均粒度5μm的Mo2C合金粉末0.36Kg，平均粒度74μm的氢化脱氢钛粉2.64Kg，将上述粉末充分混合并在300MPa压力下压制成型，然后将压制坯放入真空烧结炉中在1.0×10-3Pa真空度下通过1250℃/2小时烧结制成Ф76钛基复合材料烧结坯。再将烧结后的坯体经过1100℃加热后进行多次挤压成Ф12棒材，挤压比为40。
实施例4
分别称取平均粒度3μm的Mo2C合金粉末0.4Kg，平均粒度147μm的氢化脱氢钛粉1.6Kg，将上述粉末充分混合并在250MPa压力下压制成型，然后将压制坯放入真空烧结炉中在1.0×10-3Pa真空度下通过1400℃/1.5小时烧结制成Ф45钛基复合材料烧结坯。再将烧结后的坯体经过1200℃加热后进行多次辊轧成Ф10棒材，轧制比为20。
实施例5
分别称取平均粒度3μm的VC合金粉末0.4Kg，平均粒度147μm的氢化脱氢钛粉1.6Kg，将上述粉末充分混合并在250MPa压力下压制成型，然后将压制坯放入真空烧结炉中在1.0×10-3Pa真空度下通过1300℃/2小时烧结制成Ф45钛基复合材料烧结坯。再将烧结后的坯体经过1000℃加热后进行多次辊轧成Ф10棒材，轧制比20。
实施例6
分别称取平均粒度3μm的VC粉末0.6Kg，平均粒度3μm的Mo2C粉末0.6Kg，平均粒度74μm氢化脱氢钛粉8.8Kg，将上述粉末充分混合并在150MPa压力下压制成型，然后将压制坯放入真空烧结炉中在1.0×10-2Pa真空度下通过1300℃/2小时烧结制成Ф122钛基复合材料烧结坯。再将烧结后的坯体经过950℃加热后挤压成Ф38棒材，挤压比为10。
实施例7
分别称取平均粒度3μm的VC粉末1Kg，平均粒度3μm的Mo2C粉末1Kg，平均粒度74μm氢化脱氢钛粉8Kg，将上述粉末充分混合并在200MPa压力下压制成型，然后将压制坯放入真空烧结炉中在1.0×10-3Pa真空度下通过1300℃/2小时烧结制成Ф122钛基复合材料烧结坯。再将烧结后的坯体经过1050℃加热后挤压成Ф38棒材，挤压比10。
从表1、表2可以看出，采用本发明方法制备的钛基复合材料，在碳化物添加量较少时力学性能与TC4相当，当添加量较大时其室温力学性能参数中，抗拉强度(MPa)、屈服强度(MPa)明显优于TC4合金。
表1
    实施例材料     抗拉强度(MPa)     屈服强度(MPa)
    对比例TC4     895     825
    实施例1     941     885
    实施例2     993     919
    实施例3     1051     915
    实施例4     1250     1123
    实施例5     923     845
    实施例6     1083     942
    实施例7     1352     1245
表2
    材料     抗拉强度(MPa)     屈服强度(MPa)
    对比例TC4     620
    实施例1     556     529
    实施例2     631     466
    实施例3     794     688
    实施例4     875     753
    实施例5     706     670
    实施例6     753     716
    实施例7     1050     942

Claims (6)

1.一种颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：按成分范围为：3~20wt%金属碳化物，余量为金属钛配料；充分混合后压制成型，高温烧结，将烧结后的坯体在900~1200℃轧制或挤压高温变形；所述金属碳化物选自Mo2C或VC中的至少一种；所述金属钛为氢化脱氢钛粉末。
2.根据权利要求1所述的一种颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于： 所述Mo2C、VC粉末的平均粒度在3～10μｍ, 氢化脱氢钛粉末的平均粒度为38μｍ～147μｍ。
3.根据权利要求1所述的一种颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述压制成型采用冷等静压成型或模压成型，压制压力为150MPa～400MPa。
4.根据权利要求1所述的一种颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述高温烧结采用真空烧结，真空度为1.0×10-3Pa ～1.0×10-2Pa。
5.根据权利要求1所述的一种颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的高温烧结温度为1250～1400℃，烧结时间为1～3小时。
6.根据权利要求1所述的一种颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述挤压比为10～123，轧制比为10～20。
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