CN102747249B - 一种增强钛基复合材料及其粉末冶金制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种增强钛基复合材料，其特征是由以下成分和质量百分组成：粒径为5～10μm的TiB21.0～11.0％，粒径为10～25μm的稀土六硼化物0.8～1.0％，钛粉75.0～85.0％，Al粉3.5～4.5％，Mo粉5.0～7.0％和Fe粉1.0～1.5％。本发明所述的增强钛基复合材料的粉末冶金制备方法步骤如下：将TiB2、稀土六硼化物、Ti粉、Al粉、Mo粉和Fe粉混合均匀；在冲击速度为4.50～6.28m/s，冲击能量与装粉量之比为：1370～2602J∶10～19g的条件下，压制生坯；真空烧结生坯，得到所述增强钛基复合材料。本发明的增强钛基复合材料是一种烧结致密度高、硬度和弯曲强度高的材料。本发明方法制备钛基复合材料工艺过程简单，成本低，可减少生产环节，降低能耗，适合于大批量生产。

Description

一种增强钛基复合材料及其粉末冶金制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料及其制备方法，特别是一种增强钛基复合材料及其粉末冶金制备方法。
背景技术
颗粒增强钛基复合材料是以高强度和高模量陶瓷颗粒或晶须为增强相，以钛或钛合金为基体而制备的一种材料，具有比钛合金更高的比强度和比模量，极佳的疲劳和蠕变性能，以及优异的耐高温性能和耐蚀性能，并克服了钛合金耐磨性及耐燃性差的缺点，已广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械等领域。与外加法比较，原位合成增强相具有工艺简单、增强相与基体润湿性好、界面无污染、材料性能优异等特点，在技术及经济上更为可行，成为高性能钛基复合材料的重要发展方向。就增强相的种类而言，TiB是钛基复合材料中最佳的增强体之一。同时为了降低钛元素的高活性引起的氧污染，还需要借助稀土元素脱氧增韧以改善钛基复合材料的韧性。
目前，制备颗粒增强钛基复合材料的方法主要有熔铸法和粉末冶金法两大类。熔铸法易产生缺陷，成分易于偏析和组织不均匀、生产效率低，并且增强相的含量受到限制。与熔铸法相比，粉末冶金具有能耗低、材料利用率高、微观组织细小、成分均匀可控、易实现近净成形等优点，是制造高性能、低成本钛基复合材料的理想技术。然而由于钛加工硬化速率高的特性，使用传统粉末冶金模压方法成形钛粉十分困难，所制备的压坯致密度通常低于85％，经常需要借助热压、热等静压或放电等离子烧结以及二次加工等昂贵的方法获得致密材料。
D.R.Ni等(Fabrication and tensile properties of in situ TiBw and TiCphybride-reinforced titanium matrix composites based on Ti-B4C-C，《MaterialsScience and Engineering A》，2008，478：291-296.)通过混合Ti粉、B4C和石墨粉-冷压成形-真空热压-挤压工艺路线制备TiB和TiC增强钛基复合材料。
日本Cermet Ti公司(discontinuously reinforced Ti-matrixcomposites，《Manufacturing，properties，and applications[J]》，JOM，2004，56(5)：37-41.)通过混合TiB2粉、Ti粉及合金粉-冷等静压成形-真空烧结-热等静压或挤压或锻造的方法制备钛基复合材料。这些方法存在流程复杂、成本高等问题，限制了钛基复合材料在实际中的广泛应用。寻求高性能钛基复合材料的短流程、低成本制备技术成为钛基复合材料的研究热点。
高速压制技术是2001年出现的一种高效率、低成本制备高性能粉末冶金零件的新技术，兼具动态压制的高冲击能量和传统压制的高效平稳等共同特征，可实现冷态下(室温)粉末的高密度成形和连续化生产，具有成本低、压坯密度高且分布均匀、低弹性后效和高精度等特点。目前该技术成形Fe粉、Cu粉等延性粉末的效果显著优于传统成形方法，尤其在成形传统粉末冶金模压难成形的粉末(如钛粉)时体现出独特的成形优势，成形纯钛粉末的压坯致密度可达95％以上。然而目前国际上尚没有高速压制技术成形钛基混合粉末制备TiB和稀土氧化物增强钛基复合材料的报道。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提出一种烧结致密度高、硬度和弯曲强度高的增强钛基复合材料。
本发明另一个目的是上述增强钛基复合材料的粉末冶金制备方法。
本发明所述的增强钛基复合材料由以下成分和质量百分组成：粒径为5～10μm的TiB2 1.0～11.0％，粒径为10～25μm的稀土六硼化物0.8～1.0％，钛粉75.0～85.0％，Al粉3.5～4.5％，Mo粉5.0～7.0％和Fe粉1.0～1.5％。
优选的成分和质量百分组成：TiB2 4.9％，稀土六硼化物0.9％，钛粉82.8％，Al粉4.0％，Mo粉6.1％和Fe粉1.3％。
所述稀土六硼化物为LaB6或NdB6。
所述增强钛基复合材料的粉末冶金制备方法步骤如下：将按照质量百分称量的TiB2、稀土六硼化物、Ti粉、Al粉、Mo粉和Fe粉混合均匀；在冲击速度为4.50～6.28m/s，冲击能量与装粉量之比为：1370～2602J∶10～19g的条件下，压制生坯；在温度为1150～1350℃真空烧结生坯，时间为3h，随炉冷却后得到所述增强钛基复合材料。
本发明组分中的TiB2在烧结过程中和Ti发生反应生成TiB，稀土六硼化物烧结时和氧反应生成稀土氧化物，原位反应得到TiB和稀土氧化物增强钛基复合材料。将粉末冶金方法与原位合成技术相结合起来，利用钛粉与TiB2和稀土硼化物之间的反应，制备的增强体分布均匀、与基体界面结合良好、综合性能优异的复合材料。此外，本发明通过添加稀土六硼化物，除作为部分硼源外，稀土元素可有效夺取粉末中夹杂的氧。借助稀土元素的脱氧增韧和稀土氧化物的弥散强化作用，在一定程度上可有效改善钛基复合材料的强度和韧性。
与现有技术相比，本发明通过采用高速压制混合粉末制备高致密压坯，从而使通过烧结即可获得致密的钛基复合材料。而无需像传统的粉末冶金法制备钛基复合材料时通常需要借助热等静压工艺提高烧结试样的致密度。本发明方法制备钛基复合材料工艺过程简单，成本低，可减少生产环节，降低能耗，从而降低生产成本，满足实际工业生产的要求。所制备的钛基复合材料致密度高，硬度和弯曲强度高。该方法适合于大批量生产，能满足对低成本、高性能钛基复合材料的迫切需求。
附图说明
图1为实施例1在1250℃制备的增强钛基复合材料的金相照片；
图2为实施例2在1250℃制备的增强钛基复合材料的金相照片；
图3为实施例3在1250℃制备的增强钛基复合材料的金相照片。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以下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操作过程。
实施例1
按照质量配比称取5～10μm的TiB22.0％，10～25μm的LaB60.9％，Ti粉85.0％，Al粉4.3％，Mo粉6.4％和Fe粉1.4％。将粉末置于球磨机中，用Ar气氛保护，球磨6h将粉末混合均匀。采用冲击速度为4.50m/s，冲击能量与装粉量之比为1370J∶10g高速压制混合粉末，制备生坯，将生坯放入真空烧结炉中于1150～1350℃，烧结3h，最后随炉冷却。所得的增强钛基复合材料的增强相体积分数为5.5％的(TiB+La2O3)/Ti-4.5Al-6.8Mo-1.5Fe(TiB∶La2O3＝10∶1)，性能见表1。
表1
  烧结温度/℃   1150   1250   1350
  烧结致密度/％   97.28   97.97   98.43
  硬度(HV)   341   337   357
  弯曲强度   1840   1850   1120
实施例2
按照质量配比称取5～10μm的TiB2 4.9％，10～25μm的LaB6 0.9％，Ti粉82.8％，Al粉4.0％，Mo粉6.1％和Fe粉1.3％。将粉末置于球磨机中，用Ar气氛保护，球磨6h将粉末混合均匀。采用冲击速度为4.98m/s，冲击能量与装粉量之比为1780J∶13g高速压制混合粉末，制备生坯，将生坯放入真空烧结炉中于1150～1350℃，烧结3h，最后随炉冷却。所得的增强钛基复合材料的增强相体积分数为10.5％的(TiB+La2O3)/Ti-4.5Al-6.8Mo-1.5Fe(TiB∶La2O3＝20∶1)，性能见表2。
表2
  烧结温度/℃   1150   1250   1350
  烧结致密度/％   97.40   98.24   98.93
  硬度(HV)   383   402   398
  弯曲强度   1330   1490   840
实施例3
按照质量配比称取5～10μm的TiB27.8％，10～25μm的LaB6 0.9％，Ti粉80.5％，Al粉3.8％，Mo粉5.7％和Fe粉1.3％。将粉末置于球磨机中，用Ar气氛保护，球磨6h将粉末混合均匀。采用冲击速度为5.31m/s，冲击能量与装粉量之比为2191J∶16g高速压制混合粉末，制备生坯，将生坯放入真空烧结炉中于1150～1350℃，烧结3h，最后随炉冷却。所得的增强钛基复合材料的增强相体积分数为15.5％的(TiB+La2O3)/Ti-4.5Al-6.8Mo-1.5Fe(TiB∶La2O3＝30∶1)，性能见表3。
表3
  烧结温度/℃   1150   1250   1350
  烧结致密度/％   97.43   98.33   99.41
  硬度(HV)   440   457   487
  弯曲强度   850   1130   620
实施例4
按照质量配比称取5～10μm的TiB2 10.6％，10～25μm的NdB6 1.0％，Ti粉78.2％，Al粉3.6％，Mo粉5.4％和Fe粉1.2％。将粉末置于球磨机中，用Ar气氛保护，球磨6h将粉末混合均匀。采用冲击速度为6.28m/s，冲击能量与装粉量之比为2602J∶19g高速压制混合粉末，制备生坯，将生坯放入真空烧结炉中于1150～1350℃，烧结3h，最后随炉冷却。所得的增强钛基复合材料的增强相体积分数为20.5％的(TiB+Nd2O3)/Ti-4.5Al-6.8Mo-1.5Fe(TiB∶La2O3＝40∶1)，性能见表4。
表4
  烧结温度/℃   1150   1250   1350
  致密度/％   95.58   96.23   97.79
  硬度(HV)   435   445   497
  弯曲强度   630   820   710

Claims (3)

1.一种增强钛基复合材料，其特征是由以下成分和质量百分组成：粒径为5~10μm的TiB2 1.0~11.0%，粒径为10~25μm的LaB6或NdB60.8~1.0%，钛粉 75.0~85.0%，Al粉3.5~4.5%，Mo粉5.0~7.0%和Fe粉1.0~1.5%。
2.根据权利要求1所述的增强钛基复合材料，其特征是成分和质量百分组成：TiB2 4.9%，LaB6或NdB60.9%，钛粉82.8%，Al粉4.0%，Mo粉6.1%和Fe粉1.3%。
3.权利要求1所述的增强钛基复合材料的粉末冶金制备方法，其特征是步骤如下：将按照质量百分称量的TiB2、LaB6或NdB6、Ti粉、Al粉、Mo粉和Fe粉混合均匀；在冲击速度为4.50~6.28m/s，冲击能量与装粉量之比为:1370~2602J:10~19g的条件下，压制生坯；在温度为1150~1350℃真空烧结生坯，时间为3h，随炉冷却后得到所述增强钛基复合材料。
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