CN104263984B - 准连续网状结构TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及准连续网状结构TiBw/Ti‑6Al‑4V复合材料棒材的制备方法，其解决了现有Ti‑6Al‑4V复合材料工艺条件苛刻、设备要求高、生产效率低下及其难以规模化生产等问题，其先将球形Ti‑6Al‑4V粉和TiB2粉进行低能球磨混粉，然后将TiB2/Ti‑6Al‑4V混合粉体放置在金属包套内冷压成型，进行真空脱气、包套密封焊接得到挤压坯料；最后将得到的挤压坯料进行短时预烧结，对预烧结后的挤压坯料进行热挤压变形得到所需材料，本发明可应用于准连续网状结构TiBw/Ti‑6Al‑4V复合材料的制备。

Description

准连续网状结构TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种材料的制备方法，具体说是一种准连续网状结构TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材的制备方法。
背景技术
钛基复合材料具有比钛合金更优异的高温性能和抗蠕变性能，其可广泛应用在航空航天、汽车、船舶、化工等领域，但是钛基复合材料制备成本高、成形困难等不足限制了其更广泛的应用。
通常，为了制备TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材，首先采用熔铸法或者粉末冶金法制备得到TiBw/Ti-6Al-4V复合材料坯料，然后再进行热变形，得到所需规格的钛基复合材料棒材。但是熔铸法制备的TiBw/Ti-6Al-4V复合材料铸锭组织粗大、存在缩孔、疏松和成分偏析等缺陷，需要后续的热处理或者热变形消除组织缺陷，细化晶粒，制备工艺复杂，效率低下；传统粉末冶金方法制备工艺条件要求苛刻，高温长时保温及压力需求对设备要求很高，生产效率难以提高，并且材料室温脆性仍是粉末冶金工艺制备钛基复合材料的主要难点，无法满足规模化生产要求。另外，元素混合粉末法和激光沉积法也逐渐发展成为制备钛材的方法，但是因其制备工艺还不成熟，也不足以实现稳定生产。
发明内容
本发明就是为了解决现有TiBw/Ti-6Al-4V复合材料制备工艺复杂、成本过高、生产效率低下、设备要求高和不能规模化生产的技术问题，提供一种工艺简单、成本低、生产效率高、设备要求低、可实现规模化生产的准连续网状结构TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材的制备方法。
一种准连续网状结构TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材的制备方法，其包括以下步骤：a.将球形雾化的粒径为75～175μm的Ti-6Al-4V粉和粒径为1～3μm的TiB2粉进行球磨混粉，制得TiB2均匀包覆在Ti-6Al-4V颗粒表面的TiB2/Ti-6Al-4V混合粉体；b.将TiB2/Ti-6Al-4V混合粉体放置在金属包套内，采用800～1000MPa的压力冷压成型，然后进行真空脱气、包套密封焊接得到挤压坯料；c.将步骤b得到的挤压坯料进行预烧结，原位反应自生TiB晶须(TiBw)，得到预烧结挤压坯料；d.将步骤c得到的预烧结挤压坯料进行热挤压变形，即制得准连续网状的TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材。步骤a中球磨混粉工艺条件如下：球磨转速为90～150r/min、球磨混粉时间6～10h、球料质量比为5:1。步骤b中真空脱气时的真空度为10-3Pa。步骤c中短时预烧结的预烧结温度为1000～1200℃、预烧结时间为0.5～2h。
优选地，步骤d中热挤压变形工艺条件如下：挤压温度1000～1200℃，挤压比8:1～15:1，模具预热温度为300～400℃，挤压速度为20～30mm/s，选用油基石墨或氮化硼乳润滑。
本发明制备准连续网状结构TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材具有以下有益效果：
(1)本发明直接将混合粉末挤压成棒材，避免了钛基复合材料成形过程中变形难的问题，且起到塑变致密的效果，由此方法制备的钛基复合材料棒材组织均匀、致密度高，成形性好。
(2)本发明采用包套热挤压，克服了以往钛基复合材料棒材制备中挤压温度高、模具寿命短和棒材质量不稳定的问题，从而成功解决了能耗高、废品率高和制备成本高的缺陷。
(3)本发明只采用一次短时预烧结与热挤压工艺就能达到制备棒材的目的，简化了制备工艺、缩短了生产周期、克服了重复加热带来的能耗和成本升高。同时，又可以通过预烧结工艺控制原位反应程度，实现组织性能的优化设计，以满足不同应用需求的目的。
本发明采用低能球磨混粉实现TiB2均匀包覆在Ti-6Al-4V表面、采用预烧结+包套热挤压一步实现成形成性一体化，可制备出不同规格的致密度高、组织均匀性好和性能优异的TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材。该技术发明工艺简单、生产周期短、能耗少且制备成本低，成功解决了制约钛基复合材料棒材制备和应用的关键问题，为航空工业和民用工业提供了重要的技术支持。
附图说明
图1是本发明实施例1的准连续网状结构TiBw/Ti-6Al-4V复合材料的显微组织；
图2是本发明实施例1的准连续网状结构TiBw/Ti-6Al-4V复合材料的拉伸测试曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
(1)低能球磨混粉：将球形雾化的粒径为130μm的Ti-6Al-4V粉和粒径为2μm的TiB2粉进行球磨混粉，以使细小的TiB2粉均匀的包覆在大颗粒的Ti-6Al-4V表面，从而得到TiB2/Ti-6Al-4V混合粉体，其工艺条件如下：球磨转速为120r/min、球磨混粉时间8h、球料质量比为5:1。
(2)冷压成型：将TiB2/Ti-6Al-4V混合粉体放置在金属包套内，采用900MPa的压力冷压成型，然后进行真空脱气、密封焊接包套得到挤压坯料，其中真空度为10-3Pa。
(3)预烧结、热挤压：将步骤(2)得到的挤压坯料在1050℃进行预烧结，预烧结时间为1h，原位反应自生TiB晶须(TiBw)，得到预烧结挤压坯料。然后，对预烧结后的挤压坯料进行1000℃热挤压变形得到准连续网状结构TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材，挤压比为15:1，模具预热温度为350℃，挤压速度为25mm/s，选用氮化硼乳润滑,显微组织如图1所示。
经检测，所得TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材抗拉强度为1397MPa，延伸率为3.4％；如图2所示，600℃抗拉强度为622MPa，具有很好地性能。
实施例2
(1)低能球磨混粉：将球形雾化的粒径为75μm的Ti-6Al-4V粉和粒径为3μm的TiB2粉进行球磨混粉，以使细小的TiB2粉均匀的包覆在大颗粒的Ti-6Al-4V表面，从而得到TiB2/Ti-6Al-4V混合粉体，其工艺条件如下：球磨转速为90r/min、球磨混粉时间10h、球料质量比为5:1。
(2)冷压成型：将TiB2/Ti-6Al-4V混合粉体放置在金属包套内，采用800MPa的压力冷压成型，然后进行真空脱气、密封焊接包套得到挤压坯料，其中真空度为10-3Pa。
(3)预烧结、热挤压：将步骤(2)得到的挤压坯料在1000℃进行预烧结，预烧结时间为2h，原位反应自生TiB晶须(TiBw)，得到预烧结挤压坯料。然后，对预烧结后的挤压坯料进行1200℃热挤压变形得到准连续网状结构TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材，挤压比为10:1，模具预热温度为300℃，挤压速度为30mm/s，选用油基石墨润滑。
经检测，所得TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材室温抗拉强度为1265MPa，延伸率为2.8％，600℃抗拉强度604MPa，具有很好地性能。
实施例3
(1)低能球磨混粉：将球形雾化的粒径为175μm的Ti-6Al-4V粉和粒径为1μm的TiB2粉进行球磨混粉，以使细小的TiB2粉均匀的包覆在大颗粒的Ti-6Al-4V表面，从而得到TiB2/Ti-6Al-4V混合粉体，其工艺条件如下：球磨转速为150r/min、球磨混粉时间6h、球料质量比为5:1。
(2)冷压成型：将TiB2/Ti-6Al-4V混合粉体放置在金属包套内，采用1000MPa的压力冷压成型，然后进行真空脱气、密封焊接包套得到挤压坯料，其中真空度为10-3Pa。
(3)预烧结、热挤压：将步骤(2)得到的挤压坯料在1200℃进行预烧结，预烧结时间为0.5h，原位反应自生TiB晶须(TiBw)，得到预烧结挤压坯料。然后，对预烧结后的挤压坯料进行1100℃热挤压变形得到准连续网状结构TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材，挤压比为8:1，模具预热温度为400℃，挤压速度为20mm/s，选用油基石墨润滑。
经检测，所得TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材抗拉强度为1254MPa，延伸率为4.31％，600℃抗拉强度572MPa，具有很好地性能。
惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (2)

1.一种准连续网状结构TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材的制备方法，其特征是包括以下步骤：
a.将球形雾化的粒径为75～175μm的Ti-6Al-4V粉和粒径为1～3μm的TiB2粉进行球磨混粉，制得TiB2均匀包覆在Ti-6Al-4V颗粒表面的TiB2/Ti-6Al-4V混合粉体；
b.将TiB2/Ti-6Al-4V混合粉体放置在金属包套内，采用800～1000MPa的压力冷压成型，然后进行真空脱气、包套密封焊接得到挤压坯料；
c.将步骤b得到的挤压坯料进行预烧结，原位反应自生TiB晶须(TiBw)，得到预烧结挤压坯料；
d.将步骤c得到的预烧结挤压坯料进行热挤压变形，即制得准连续网状的TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材；
所述步骤a中球磨混粉工艺条件如下：球磨转速为90～150r/min、球磨混粉时间6～10h、球料质量比为5:1；
所述步骤b中真空脱气时的真空度为10-3Pa；
所述步骤c中短时预烧结的预烧结温度为1000～1200℃、预烧结时间为0.5～2h。
2.根据权利要求1所述的准连续网状结构TiBw/Ti-6Al-4V复合材料棒材的制备方法，其特征在于所述步骤d中热挤压变形工艺条件如下：挤压温度1000～1200℃，挤压比8:1～15:1，模具预热温度为300～400℃，挤压速度为20～30mm/s，选用油基石墨或氮化硼乳润滑。
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