CN105506378A - 一种机械用碳化钨增强钛基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机械用碳化钨增强钛基复合材料及其制备方法，所述材料按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨22-30％、钛合金70-78％；所述的钛合金由如下质量百分比的组分组成：锆14-20％、锌0.2-0.6％、钽1.5-2.2％、氧0.12-0.18％、钇0.08-0.15％，余量为钛；经钛合金铸锭的制备、复合熔炼、均匀化处理、连续铸造、固溶处理和时效处理得到。本发明制得的钛基复合材料兼具低弹性模量、高强度、高塑性，其抗拉强度不低于1100MPa、屈服强度不低于950MPa、延伸率不低于11.2％、弹性模量不高于62GPa，能够应用于机械密封技术领域。

Description

一种机械用碳化钨增强钛基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及机械材料技术领域，具体是一种机械用碳化钨增强钛基复合材料及其制备方法。
背景技术
密封性是保证航空管路连接件安全性的首要基础，属于管路系统考核中非常关键的技术指标，例如，对材料要求最高的液压管路在飞机上分布广、工作压力大，一旦发生泄漏将影响系统正常工作，甚至危及飞机安全。
碳化钨是一种由钨和碳组成的化合物，为黑色六方晶体，有金属光泽，硬度与金刚石相近，为电、热的良好导体。碳化钨不溶于水、盐酸和硫酸，易溶于硝酸－氢氟酸的混合酸中。纯的碳化钨易碎，若掺入少量钛、钴等金属，就能减少脆性。用作钢材切割工具的碳化钨，常加入碳化钛、碳化钽或它们的混合物，以提高抗爆能力。碳化钨的化学性质稳定。碳化钨粉应用于硬质合金生产材料。
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。20世纪50-60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。
现有钛合金的技术研究方向主要集中在降低合金弹性模量，很少有人从机械密封性方面去设计钛合金材料体系。本发明利用碳化钨高硬度、耐腐蚀、化学稳定好、高温抗氧化性好的优点，将碳化钨与钛合金制备成钛基复合材料，在保证钛合金的高强度、耐蚀性、耐热性的同时，降低弹性模量、提高塑性，从而使得该钛基复合材料能够应用于机械密封技术领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具低弹性模量、高强度、高塑性的机械用碳化钨增强钛基复合材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种机械用碳化钨增强钛基复合材料，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨22-30％、钛合金70-78％；所述的钛合金由如下质量百分比的组分组成：锆14-20％、锌0.2-0.6％、钽1.5-2.2％、氧0.12-0.18％、钇0.08-0.15％，余量为钛。
作为本发明进一步的方案：按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨25-28％、钛合金72-75％；所述的钛合金由如下质量百分比的组分组成：锆15-18％、锌0.3-0.5％、钽1.5-1.8％、氧0.12-0.16％、钇0.10-0.13％，余量为钛。
作为本发明进一步的方案：按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨26％、钛合金74％；所述的钛合金由如下质量百分比的组分组成：锆16％、锌0.4％、钽1.6％、氧0.14％、钇0.12％，余量为钛。
作为本发明进一步的方案：所述的碳化钨的纯度大于98％。
所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)钛合金铸锭的制备：将上述合金原料按照比例配比，压制成合金电极；将合金电极置于真空自耗电弧炉中进行熔炼，熔炼温度为1250-1320℃，时间为1.8-2.5h，得到钛合金液，经960-1040℃均匀化处理32-40h后，得到钛合金铸锭；
(2)复合熔炼：按比例将碳化钨和钛合金铸锭投入电炉中熔炼，熔炼温度为1300-1350℃，开启工频电炉的震动装置并同时用石墨棒进行搅拌，使二者均匀混合；进一步升高电炉温度至1350-1420℃并保持50-60min，得到复合钛合金液；
(3)均匀化处理：将复合钛合金液在1020-1080℃条件下进行均匀化处理12-16h，得到化学成分均匀的铸锭；
(4)连续铸造：在980-1050℃条件下，采用连续铸造的方式将铸锭铸造成复合板棒材；
(5)固溶处理：将复合板棒材在780-850℃固溶处理60-90min后淬火，得到固溶处理后的复合板棒材；
(6)时效处理：将固溶处理后的复合板棒材进行表面车加工处理，再在520-580℃条件下进行时效处理30-50min，得到所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料。
作为本发明进一步的方案：所述的连续铸造的温度为1020-1040℃。
作为本发明进一步的方案：所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料的抗拉强度不低于1100MPa、屈服强度不低于950MPa、延伸率不低于11.2％、弹性模量不高于62GPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过将高硬度、耐腐蚀、化学稳定好、高温抗氧化性好的碳化钨与钛合金制备成钛基复合材料，在保证钛合金的高强度、耐蚀性、耐热性的同时，降低弹性模量、提高塑性，从而使得该钛基复合材料能够应用于机械密封技术领域。本发明制得的钛基复合材料兼具低弹性模量、高强度、高塑性，其抗拉强度不低于1100MPa、屈服强度不低于950MPa、延伸率不低于11.2％、弹性模量不高于62GPa。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例中，一种机械用碳化钨增强钛基复合材料，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨22％、钛合金78％；钛合金由如下质量百分比的组分组成：锆14％、锌0.6％、钽1.5％、氧0.18％、钇0.08％，余量为钛；其中碳化钨的纯度大于98％。
所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)钛合金铸锭的制备：将上述合金原料按照比例配比，压制成合金电极；将合金电极置于真空自耗电弧炉中进行熔炼，熔炼温度为1320℃，时间为1.8h，得到钛合金液，经1040℃均匀化处理32h后，得到钛合金铸锭；
(2)复合熔炼：按比例将碳化钨和钛合金铸锭投入电炉中熔炼，熔炼温度为1350℃，开启工频电炉的震动装置并同时用石墨棒进行搅拌，使二者均匀混合；进一步升高电炉温度至1420℃并保持50min，得到复合钛合金液；
(3)均匀化处理：将复合钛合金液在1080℃条件下进行均匀化处理12h，得到化学成分均匀的铸锭；
(4)连续铸造：在1050℃条件下，采用连续铸造的方式将铸锭铸造成复合板棒材；
(5)固溶处理：将复合板棒材在850℃固溶处理60min后淬火，得到固溶处理后的复合板棒材；
(6)时效处理：将固溶处理后的复合板棒材进行表面车加工处理，再在580℃条件下进行时效处理30min，得到所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料。
实施例2
本发明实施例中，一种机械用碳化钨增强钛基复合材料，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨30％、钛合金70％；钛合金由如下质量百分比的组分组成：锆20％、锌0.2％、钽2.2％、氧0.12％、钇0.15％，余量为钛；其中碳化钨的纯度大于98％。
所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料的制备方法与实施例1相同。
实施例3
本发明实施例中，一种机械用碳化钨增强钛基复合材料，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨25％、钛合金75％；钛合金由如下质量百分比的组分组成：锆15％、锌0.5％、钽1.5％、氧0.16％、钇0.10％，余量为钛；其中碳化钨的纯度大于98％。
所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)钛合金铸锭的制备：将上述合金原料按照比例配比，压制成合金电极；将合金电极置于真空自耗电弧炉中进行熔炼，熔炼温度为1250℃，时间为2.5h，得到钛合金液，经960℃均匀化处理40h后，得到钛合金铸锭；
(2)复合熔炼：按比例将碳化钨和钛合金铸锭投入电炉中熔炼，熔炼温度为1300℃，开启工频电炉的震动装置并同时用石墨棒进行搅拌，使二者均匀混合；进一步升高电炉温度至1350℃并保持60min，得到复合钛合金液；
(3)均匀化处理：将复合钛合金液在1020℃条件下进行均匀化处理16h，得到化学成分均匀的铸锭；
(4)连续铸造：在980℃条件下，采用连续铸造的方式将铸锭铸造成复合板棒材；
(5)固溶处理：将复合板棒材在780℃固溶处理90min后淬火，得到固溶处理后的复合板棒材；
(6)时效处理：将固溶处理后的复合板棒材进行表面车加工处理，再在520℃条件下进行时效处理50min，得到所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料。
实施例4
本发明实施例中，一种机械用碳化钨增强钛基复合材料，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨28％、钛合金72％；钛合金由如下质量百分比的组分组成：锆18％、锌0.3％、钽1.8％、氧0.12％、钇0.13％，余量为钛；其中碳化钨的纯度大于98％。
所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料的制备方法与实施例3相同。
实施例5
本发明实施例中，一种机械用碳化钨增强钛基复合材料，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨26％、钛合金74％；钛合金由如下质量百分比的组分组成：锆16％、锌0.4％、钽1.6％、氧0.14％、钇0.12％，余量为钛；其中碳化钨的纯度大于98％。
所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)钛合金铸锭的制备：将上述合金原料按照比例配比，压制成合金电极；将合金电极置于真空自耗电弧炉中进行熔炼，熔炼温度为1280℃，时间为2.2h，得到钛合金液，经1020℃均匀化处理35h后，得到钛合金铸锭；
(2)复合熔炼：按比例将碳化钨和钛合金铸锭投入电炉中熔炼，熔炼温度为1320℃，开启工频电炉的震动装置并同时用石墨棒进行搅拌，使二者均匀混合；进一步升高电炉温度至1380℃并保持58min，得到复合钛合金液；
(3)均匀化处理：将复合钛合金液在1050℃条件下进行均匀化处理14h，得到化学成分均匀的铸锭；
(4)连续铸造：在1030℃条件下，采用连续铸造的方式将铸锭铸造成复合板棒材；
(5)固溶处理：将复合板棒材在820℃固溶处理80min后淬火，得到固溶处理后的复合板棒材；
(6)时效处理：将固溶处理后的复合板棒材进行表面车加工处理，再在550℃条件下进行时效处理40min，得到所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料。
表1各实施例制得的材料的性能
通过对上述实施例制得的钛基复合材料的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及弹性模量进行测试，得到的结果如表1所示。由表可知，本发明制得的钛基复合材料的抗拉强度不低于1100MPa、屈服强度不低于950MPa、延伸率不低于11.2％、弹性模量不高于62GPa。该钛基复合材料兼具低弹性模量、高强度、高塑性，能够应用于机械密封技术领域。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种机械用碳化钨增强钛基复合材料，其特征在于，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨22-30％、钛合金70-78％；所述的钛合金由如下质量百分比的组分组成：锆14-20％、锌0.2-0.6％、钽1.5-2.2％、氧0.12-0.18％、钇0.08-0.15％，余量为钛。
2.根据权利要求1所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料，其特征在于，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨25-28％、钛合金72-75％；所述的钛合金由如下质量百分比的组分组成：锆15-18％、锌0.3-0.5％、钽1.5-1.8％、氧0.12-0.16％、钇0.10-0.13％，余量为钛。
3.根据权利要求1所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料，其特征在于，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨26％、钛合金74％；所述的钛合金由如下质量百分比的组分组成：锆16％、锌0.4％、钽1.6％、氧0.14％、钇0.12％，余量为钛。
4.根据权利要求1-3任一所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料，其特征在于，所述的碳化钨的纯度大于98％。
5.根据权利要求4所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)钛合金铸锭的制备：将上述合金原料按照比例配比，压制成合金电极；将合金电极置于真空自耗电弧炉中进行熔炼，熔炼温度为1250-1320℃，时间为1.8-2.5h，得到钛合金液，经960-1040℃均匀化处理32-40h后，得到钛合金铸锭；
(2)复合熔炼：按比例将碳化钨和钛合金铸锭投入电炉中熔炼，熔炼温度为1300-1350℃，开启工频电炉的震动装置并同时用石墨棒进行搅拌，使二者均匀混合；进一步升高电炉温度至1350-1420℃并保持50-60min，得到复合钛合金液；
(3)均匀化处理：将复合钛合金液在1020-1080℃条件下进行均匀化处理12-16h，得到化学成分均匀的铸锭；
(4)连续铸造：在980-1050℃条件下，采用连续铸造的方式将铸锭铸造成复合板棒材；
(5)固溶处理：将复合板棒材在780-850℃固溶处理60-90min后淬火，得到固溶处理后的复合板棒材；
(6)时效处理：将固溶处理后的复合板棒材进行表面车加工处理，再在520-580℃条件下进行时效处理30-50min，得到所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料。
6.根据权利要求5所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的连续铸造的温度为1020-1040℃。
7.根据权利要求5所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的机械用碳化钨增强钛基复合材料的抗拉强度不低于1100MPa、屈服强度不低于950MPa、延伸率不低于11.2％、弹性模量不高于62GPa。
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