CN106544610B - 一种TiC/Ti复合材料铸件中TiC形貌的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种TiC/Ti复合材料铸件中TiC形貌的控制方法，本控制方法：步骤一，采用熔铸路线制备TiC/Ti复合材料；步骤二：利用DSC差热分析仪和金相法测定TiC/Ti复合材料的相变点，从而确定TiC/Ti复合材料的α+β+TiC三相区和β+TiC两相区；步骤三，将TiC/Ti复合材料加热到α+β+TiC三相区，并保温24h以上，随后将复合材料热处理温度提高到β+TiC两相区，在该温度区间保温5min‑20min，最后将TiC/Ti复合材料快速冷却到室温。经过该热处理后，复合材料的室温塑性可到达4％‑6％，抗拉强度达到1075MPa。
Description
技术领域
本发明涉及TiC/Ti复合材料的热处理方法，具体涉及一种通过热处理工艺来消除形状不规则的TiC以达到提高TiC/Ti复合材料铸件室温韧性的目的。
背景技术
钛及钛合金具有高比强度、比模量、高温力学性能以及较优异的抗蠕变性能，在很多领域有着广泛的应用，例如航空航天，汽车行业航海、石油和化工等领域。然而，随着航空工业的进一步发展，人们对钛合金材料提出越来越高的要求，而传统钛合金材料已经达到了其力学性能的极限和服役温度的极限，因此出现了从钛合金向钛基复合材料转移的趋势。复合材料中增强相的选择对其性能提高影响很大。众多研究表明TiC和TiB相作为近α和α+β钛合金基复合材料的增强相是很适合的。近年来，TiC颗粒增强钛基复合材料受到国内外研究人员越来越多的关注，因为TiC颗粒具有较优异的性能，与钛合金基体有着良好的相容性，另外TiC相的形貌可通过热处理来改善，还有碳粉的来源非常广泛，成本很低。对于结构复杂的TiC/Ti复合材料铸件，热处理是一种改善其性能的非常有效的路径。研究指出高温热处理过程中TiC/Ti复合材料中枝晶状的TiC会溶断而粒化，并且TiC表面变得较光滑，经过该工艺热处理，复合材料塑性有所提高，但提高幅度有限，这是因为发生粒化的TiC相的尺寸不会变小。鉴于此情况，需要开发出一种工艺来降低TiC/Ti复合材料铸件中TiC的尺寸，这将使得钛基复合材料铸件在航空航天、汽车制造等领域的应用更广。
发明内容
本发明是为了进一步地提高TiC/Ti复合材料铸件的室温韧性，而提供一种工艺简单、成本低的TiC/Ti复合材料热处理方法。
为了实现上述目的，本发明一种TiC/Ti复合材料铸件中TiC形貌的控制方法是按照以下步骤进行：
步骤一：按照设计要求称取C粉，海绵钛，高纯铝，海绵锆原料，采用熔铸路线制备TiC/Ti复合材料；
步骤二：利用DSC差热分析仪和金相法测定TiC/Ti复合材料的相变点，包括α向β转变的开始温度和终了温度，从而确定TiC/Ti复合材料的α+β+TiC三相区和β+TiC两相区，图1是Ti-6Al-C相图的垂直截面图，图中已标定不同的相区；
步骤三：采用箱式电阻炉对TiC/Ti复合材料铸件进行热处理，首先TiC/Ti复合材料加热到α+β+TiC三相区，保温24h以上，随后将复合材料热处理温度提高到β+TiC两相区，在该温度区间保温5min-20min，最后将TiC/Ti复合材料快速冷却到室温。
本发明通过热处理工艺来消除形状不规则的TiC来提高TiC/Ti复合材料铸件室温韧性的方法工艺简单，成本低，稳定性和可控性强。
附图说明
图1是(Ti-6Al)-C垂直截面图；
图2是铸态下5vol.%TiC/Ti-6Al-3Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.75Nb-0.35Si复合材料中TiC的形貌；
图3是热处理后5vol.%TiC/Ti-6Al-3Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.75Nb-0.35Si复合材料中TiC的形貌。
具体实施方式
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。
具体实施方式一：本实施方式TiC/Ti复合材料铸件中TiC形貌的控制方法是按照以下步骤按照以下步骤制备：
步骤一：选取Ti-6Al-3Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.75Nb-0.35Si为钛合金基体，TiC为增强相，其体积分数为5%，按照设计要求称取C粉，海绵钛，高纯铝，海绵锆，纯钼，纯锡，纯铌和硅，采用熔铸路线制备TiC/Ti复合材料；
步骤二：利用DSC差热分析仪测定TiC/Ti复合材料的相变点，包括α向β转变的开始温度和终了温度(β相变点)，并采用金相法测定TiC/Ti复合材料的相变点，该方法的过程为从1130℃保温1h后逐渐降温，选取数个降温点，每个降温点相差5℃，每个降温点保温30min，随后对其淬火处理，对每个降温点处理的试样进行金相分析，观察组织是否有α相析出，测定出5vol.%TiC/Ti-6Al-3Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.75Nb-0.35Si复合材料的β相变点为1095℃±5℃。
步骤三：采用箱式电阻炉对5vol.%TiC/Ti-6Al-3Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.75Nb-0.35Si复合材料铸件进行热处理，首先将复合材料加热到1045℃，保温36h，随后将复合材料热处理温度提高到1125℃，在该温度区间保温10min，最后将该复合材料空冷到室温。
图1是(Ti-6Al)-C垂直截面图。
图2是铸态下5vol.%TiC/Ti-6Al-3Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.75Nb-0.35Si复合材料中TiC的形貌，从图中可以观察到TiC呈现出长条状形貌，在基体中均匀分布。
图3是热处理后5vol.%TiC/Ti-6Al-3Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.75Nb-0.35Si复合材料中TiC的形貌，从图中可以观察到TiC主要呈细小的等轴或近等轴形貌。
具体实施方式一制备的5vol.%TiC/Ti-6Al-3Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.75Nb-0.35Si复合材料经该工艺热处理后，测试其室温力学性能，结果如表1所示，可以观察到热处理后复合材料强度和延伸率均明显提高，特别是延伸率。
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TiC体积分数为2.5%，5%和7.5%，其它与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点是钛合金基体为TC4，TA15，Ti-1100或Ti-6Al-3Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.75Nb-0.35Si，其它与实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同点是在TiC/Ti复合材料的α+β+TiC三相区选择的温度比β相变点低40℃，50℃，60℃和70℃，其它与实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同点为TiC/Ti复合材料在α+β+TiC三相区的保温时间为24h，36 h，48 h和60 h，其它与实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同点为升温到TiC/Ti复合材料β+TiC两相区的温度比β相变点高20℃，30℃，40℃和50℃，它与实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同点是TiC/Ti复合材料在β+TiC两相区的保温时间分别为5min，10min，15min和20min，其它与实施方式一至六相同。
表1 5vol.%TiC/Ti-6Al-3Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.75Nb-0.35Si复合材料热处理前后的室温力学性能
| 状态 | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度 (MPa) | 延伸率(%) |
| 铸态 | 1043 | 986 | 0.7-1.0 |
| 热处理态12 | 1075 | 1030 | 4-6 |
Claims (4)
1.一种TiC/Ti复合材料铸件中TiC形貌的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：按照设计要求称取C粉，海绵钛，高纯铝，海绵锆原料，采用熔铸路线制备TiC/Ti复合材料；
步骤二：利用DSC差热分析仪和金相法测定TiC/Ti复合材料的相变点，包括α向β转变的开始温度和终了温度，从而确定TiC/Ti复合材料的α+β+TiC三相区和β+TiC两相区；
步骤三：采用箱式电阻炉对TiC/Ti复合材料铸件进行热处理，首先TiC/Ti复合材料加热到α+β+TiC三相区，保温24h以上，随后将复合材料热处理温度提高到β+TiC两相区，在该温度区间保温5min-20min，最后将TiC/Ti复合材料快速冷却到室温。
2.如权利要求1所述的TiC/Ti复合材料铸件中TiC形貌的控制方法，其特征在于，TiC/Ti复合材料在α+β+TiC三相区选择的温度比β相变点低40℃以上，不高于80℃。
3.如权利要求1所述的TiC/Ti复合材料铸件中TiC形貌的控制方法，其特征在于，TiC/Ti复合材料在α+β+TiC三相区的保温时间超过24h。
4.如权利要求1所述的TiC/Ti复合材料铸件中TiC形貌的控制方法，其特征在于，升温到TiC/Ti复合材料β+TiC两相区的温度比β相变点高20℃-60℃。
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| CN1586762A (zh) * | 2004-09-09 | 2005-03-02 | 上海交通大学 | 原位自生钛基复合材料的超塑性加工方法 |
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