CN106552928B - 一种钛合金梯度复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种钛合金梯度复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛合金梯度复合材料及其制备方法，其制备方法如下：（1）选择常规钛合金为基础合金，锆基金属玻璃或钛基金属玻璃为热浸合金；（2）利用非自耗电弧炉将热浸合金熔炼成合金锭，并破碎研磨成粉末；（3）将钛合金和热浸合金粉末放入坩埚内，感应加热至热浸合金熔化，使固相钛合金与热浸合金液发生冶金反应；（4）实施快速顺序凝固，使熔融态的热浸合金液快速冷却形成金属玻璃及其复合材料，进而获得一种由钛合金心部、金属玻璃复合材料过渡层及单相金属玻璃表面层构成的梯度复合材料。本发明的钛合金梯度复合材料具有优异的耐磨损性能。

Description

一种钛合金梯度复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于合金表面改性技术领域，具体涉及一种钛合金梯度复合材料及其制备方法，能提高钛合金的耐磨损性能。
背景技术
钛及钛合金因具有优异的综合力学性能，在航空、航天、船舶、石油、化工、兵器、电子、生物医用等行业得到高度重视和广泛应用。然而，钛合金的耐磨损性能较差，其使用寿命和应用范围受到了严重制约。
为了提高钛合金的耐磨损性能，通常采用表面处理工艺在钛合金表面制备耐磨涂层。常用的钛合金耐磨表面涂层有类金刚石膜、氮化钛涂层等。然而，这类涂层与钛合金基体材料之间化学成分、热膨胀系数差异极大，导致膜与基体间热应力大、结合强度低，在服役状态下，极易剥落。因此，需要进一步探索出一种结合强度高、工艺简单的钛合金表面处理方法。
发明内容
本发明旨在提供一种具有优异耐磨损性能的钛合金梯度复合材料及其制备方法，同时能够避免表面涂层与钛合金基体之间结合强度低的问题。
本发明的钛合金梯度复合材料，选择钛合金为基础合金，以锆基金属玻璃或钛基金属玻璃为热浸合金，加热至高温，利用固相的钛合金与熔融的热浸合金液的冶金反应，制备出一种由钛合金心部、金属玻璃复合材料过渡层及单相金属玻璃表面层构成的梯度复合材料。
一种钛合金梯度复合材料的制备方法，其具体的制备工艺为：
第一步：将锆基金属玻璃或钛基金属玻璃按照预定成分进行配比，首先在氩气保护气氛下采用非自耗电弧炉熔炼均匀，再破碎成颗粒，研磨成细粉；
第二步：将选择的钛合金棒材或板材以及细粉状的锆基金属玻璃或钛基金属玻璃同时置于石墨坩埚中，感应加热至900-1300℃，保温10-30分钟，使固相的钛合金与熔融的热浸合金发生冶金反应，在钛合金界面处形成化学成分梯度；
第三步： 利用定向凝固设备，将装有钛合金及热浸合金的石墨坩埚以4mm/s抽拉速率浸入冷却能力极强的Ga-In-Sn液态合金中，实现快速顺序凝固，使熔融态的热浸合金液快速冷却形成金属玻璃及其复合材料，进而获得一种由钛合金心部、金属玻璃复合材料过渡层及单相金属玻璃表面层构成的梯度复合材料，其表面层单相金属玻璃的显微硬度≥550。
进一步地，所述钛合金选用TC4、TA7、TB9。
进一步地，所述锆基金属玻璃或钛基金属玻璃的合金体系为Zr-Ti-Cu-Ni-Be或Ti-Zr-Cu-Be。
本发明与现有技术相比，其显著优点：热浸合金与钛合金成分较接近，热膨胀系数相近，并且其化学成分和微观组织是渐变的梯度复合，因此界面处的应力低，结合强度高，且外表面的是单相金属玻璃层，光滑、耐磨损性能好。
附图说明
图1是本发明钛合金梯度复合材料制备方法的流程图。
图2是实施例1钛合金梯度复合材料的心部显微组织图。
图3是实施例1钛合金梯度复合材料的过渡层显微组织图。
图4是实施例1钛合金梯度复合材料非晶表面的显微组织图。
具体实施方式
本发明的具体实施过程如下：
(1) 基础合金体系及热浸合金选择：
基础合金为常规的钛合金，典型代表为TC4合金（Ti-6Al-4V重量百分比），热浸合金可选择锆基金属玻璃或钛基金属玻璃，其典型的合金体系为Zr-Ti-Cu-Ni-Be和Ti-Zr-Cu-Be。
(2) 热浸合金熔炼：
根据（1）所选择的热浸合金成分，将纯度大于99.5%原材料在氩气保护气氛下采用非自耗电弧炉熔炼均匀，并破碎成颗粒状，研磨成细粉。
(3) 热浸处理
将选择的钛合金棒材或板材以及细粉状的锆基金属玻璃或钛基金属玻璃同时置于石墨坩埚中，感应加热至900-1300℃，保温10-30分钟，使固相的钛合金与熔融的热浸合金发生冶金反应，在钛合金界面处形成化学成分梯度；
(4) 快速顺序凝固
利用定向凝固设备，将装有钛合金及热浸合金的石墨坩埚以4mm/s抽拉速率浸入冷却能力极强的Ga-In-Sn液态合金中，实现快速顺序凝固，使熔融态的热浸合金液快速冷却形成金属玻璃及其复合材料，进而获得一种由钛合金心部、金属玻璃复合材料过渡层及单相金属玻璃表面层构成的梯度复合材料。
(5) 结构和性能表征
利用XRD、DSC和SEM对制备的复合材料进行微观结构表征，并进一步对其进行力学性能表征，以确定具有最佳综合力学性能的复合材料微观组织及其相应的制备工艺参数。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1) 原材料的选用
本发明制备基础合金选用6mm直径的TC4钛合金棒状试样，其成分为Ti-6Al-4V（重量百分比），热浸合金成分为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5，各金属组元的纯度如表1。
表1制备基础合金选用金属组元的纯度(%)
(2) 热浸合金的制备
在高纯氩气保护条件下，用非自耗电弧熔炼炉熔制母合金扣锭，其具体程序如下：
a、将金属原料的表面机械打磨去掉表面的氧化皮后，按照设计好的成分配比料备料；按照每锭80g左右的重量将配好的料放入熔炼炉内的水冷铜坩埚内，盖上炉盖抽真空至2×10-3Pa；向炉内充入一定量压力的高纯氩气（99.99%），氩气压力范围为0.4~0.6MPa。
b、多道次熔炼基础合金：采用非自耗电弧炉将Zr高熔点组元在电磁搅拌作用下一起熔化2~3遍，然后将所有合金成分一起熔炼3~4遍，得到混合均匀的基础合金。熔炼时采用的电流为500~650A，电磁搅拌采用的电压为1~3V。
c、利用大铁锤将热浸合金锭破粹成颗粒，再研磨成细粉，其平均粒度约为100μm。
(3) 热浸处理
将6mm直径的TC4钛合金棒状试样固定在内径8mm、壁厚1.5毫米的石墨坩埚的中间，将细粉状的热浸合金填入钛合金与石墨坩埚的间隙中，并压实。随后将石墨坩埚放入真空感应熔炼炉中，抽真空至5×10-3Pa，然后开始加热到900℃，并保温30分钟，使钛合金与热浸合金发生冶金反应，在钛合金界面处形成化学成分梯度。
(4) 快速顺序凝固
将（3）中处于熔融态的合金随坩埚以4mm/s的抽拉速率浸入Ga-In-Sn液态合金中，实现快速顺序凝固。
(5) 结构和性能表征
图2-4是按上述工艺制备的钛合金梯度复合材料心部、界面及表面的微观组织，可见其是由钛合金、金属玻璃复合材料及单相金属玻璃构成的梯度复合材料。这种钛合金梯度复合材料表面的金属玻璃显微硬度为570。
实施例2
采用与实施例1相同的方法，基础合金为TA7，其成分为Ti-5Al-2.5Sn（重量百分比），热浸合金为Ti40Zr15Cu22.5Be22.5（原子百分比），感应加热至1300℃，保温10分钟。所得复合材料表面的金属玻璃显微硬度为580。
实施例3
采用与实施例1相同的方法，基础合金为TB9，其成分为Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（重量百分比），热浸合金为Ti30Zr25Cu22.5Be22.5（原子百分比），感应加热至1000℃，保温20分钟。所得复合材料表面的金属玻璃显微硬度为560。

Claims (3)

1.一种钛合金梯度复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
第一步：将锆基金属玻璃或钛基金属玻璃按照预定成分进行配比，首先在氩气保护气氛下采用非自耗电弧炉熔炼均匀，再破碎成颗粒，研磨成细粉；所述锆基金属玻璃或钛基金属玻璃的合金体系为Zr-Ti-Cu-Ni-Be或Ti-Zr-Cu-Be；
第二步：将钛合金棒材或板材以及细粉状的锆基金属玻璃或钛基金属玻璃同时置于石墨坩埚中，感应加热至900-1300℃，保温10-30分钟，使固相的钛合金与熔融的热浸合金发生冶金反应，在钛合金界面处形成化学成分梯度；所述钛合金选用TC4、TA7或TB9；
第三步： 利用定向凝固设备，将装有钛合金及热浸合金的石墨坩埚以4mm/s抽拉速率浸入冷却能力极强的Ga-In-Sn液态合金中，实现快速顺序凝固，使熔融态的热浸合金液快速冷却形成金属玻璃及其复合材料，进而获得一种由钛合金心部、金属玻璃复合材料过渡层及单相金属玻璃表面层构成的梯度复合材料。
2.一种根据权利要求1所述方法制备得到的钛合金梯度复合材料。
3.根据权利要求2所述的钛合金梯度复合材料，其特征在于：所述梯度复合材料表面层单相金属玻璃的显微硬度≥550HV。
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