CN107190178A - 一种钛基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛基复合材料及其制备方法，该钛基复合材料包括基体相和增强相，所述基体相为钛或钛合金，所述增强相为合金钢，其中，增强相的质量分数为3％～50％。该钛基复合材料成本低、力学性能优越。制备方法包括如下步骤：将钛合金粉末与合金钢粉末混合均匀，将混合粉料经冷等静压压制得到压坯；将所得压坯进行真空烧结，得到烧结块体；将所得烧结块体进行真空热处理，得到真空热处理块体；将所得真空热处理块体焊入不锈钢包套中进行热变形加工，得到热加工块体；将所得热加工块体进行保温后取出，退火并除去不锈钢包套后，即得钛基复合材料。该制备方法操作简单，具有良好的工业应用前景。

Description

一种钛基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，尤其是涉及一种钛合金-合金钢复合材料及其制备方法。
背景技术
钛基复合材料(Titanium matrix composites，TMCs)在保持了钛的优良性能的同时，又进一步提升了钛的比强度、比模量、高温性能以及耐磨性能。经过多年的发展，钛基复合材料现已成为了在航空、航天领域应用较为广泛的金属基复合材料。根据增强体种类的不同，钛基复合材料可分为连续纤维增强及非连续颗粒增强钛基复合材料两种。目前，相关研究大多数集中在非连续颗粒增强钛基复合材料上，常见的是通过原位合成技术制备的TiB/TiC颗粒作为增强体钛基复合材料。
钛基复合材料一般选择TiB、TiC、SiC等陶瓷材料作为增强体，由于TiB、TiC、SiC陶瓷增强体成本高，而且其制备难度较大，加工成本十分高昂，限制了钛基复合材料的应用，并且在钛基复合材料制备过程中，存在界面反应难以控制，成品率低的缺点。
目前粉末冶金钛合金技术领域中，向钛合金中添加少量铁、镍、钼等合金元素对钛合金性能进行改善，制备的合金材料属于成分分布均匀的合金，不属于钛基复合材料的制备方法。有研究报道，将钛板与钢板通过爆炸焊接方法制备了钛-钢双金属复合板材。但该方法属于一种不同类型金属板材的焊接方法，所制备的材料不属于微观结构上的钛基复合材料。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种钛基复合材料，该钛基复合材料包括基体相和增强相，该基体相为钛或钛合金，增强相为合金钢，其中，增强相的质量分数为3％～50％。
本发明所述钛基复合材料中基体相钛合金具有力学性能好、抗腐蚀性好等优点，强化相合金钢具有强度好、比模量高、高温性能好、耐磨性能好等优点。本技术设计的复合材料基体相和强化相含量可根据需要在3％～50％范围内调整，达到不同种类应用的需求。本技术制备的钛基复合材料，通过压制-烧结-真空热处理可获得颗粒增强复合材料，获得的颗粒增强复合材料再经过热锻或旋锻的方法热加工-退火处理，可以获得层片状或纤维状复合材料。
进一步的，所述钛合金，其粉末原料为市售的钛合金粉末，其中钛元素的质量分数为85％以上。除钛以外，还包括铝元素和钒元素中的一种或两种，钛合金中添加的铝、钒对钛合金的力学性能有改善作用。
进一步的，所述合金钢，其粉末原料为市售的合金钢粉末，除铁和碳以外，还包括铬、钒、钨和钼元素中的一种或多种，其中铁元素的质量分数为80％～95％。合金钢中添加的铬、钒、钨和钼对合金钢的力学性能、耐磨性能有改善作用。该合金钢在钛基复合材料中的显微结构为颗粒状、层片状或纤维状。
为实现本发明的目的，提供一种所述钛基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)、将粒径小于45μm的钛合金粉末与粒径为45-200μm的合金钢粉末混合均匀，混合粉料中合金钢粉末的质量分数为3％～50％，将混合粉料经冷等静压压制得到压坯；
(2)、将步骤(1)所得压坯进行真空烧结，得到烧结块体；
(3)、将步骤(2)所得烧结块体进行真空热处理，得到真空热处理块体；
(4)、将步骤(3)所得真空热处理块体焊入不锈钢包套中进行热变形加工，得到热加工块体；
(5)、将步骤(4)所得热加工块体进行保温后取出，退火并除去不锈钢包套后，即得钛基复合材料。
进一步的，所述步骤(1)中，冷等静压压制得到压坯具体是指：在室温条件下，在100Mpa～300Mpa压力下，冷等静压1～5分钟，制备得到相对密度为60％以上的压坯。
进一步的，所述步骤(2)中，真空烧结的温度为1000℃～1300℃，真空度小于5×10-3Pa，保温时间为0.5～4小时。通过真空烧结，可以获得致密度较高、强度较高的烧结块体。
进一步的，所述步骤(3)中，真空热处理的处理温度为900℃～1100℃，热处理时间为1～4小时，真空度小于5×10-3pa。通过真空热处理，可以使钛合金基体与增强相界面充分扩散粘接。
进一步的，所述步骤(4)中，热变形加工具体是指：将焊入不锈钢包套中的真空热处理块体在950℃～1050℃温度条件下进行加热，保温0.5～1小时，然后进行锻造或旋锻，锻造或旋锻过程中控制块体的变形量为75％～90％，制备得到相对密度为95％～100％的热加工块体。经热变形加工可将增强相组织改变为层片状或纤维状结构，使复合材料在沿层片或纤维方向上获得更好的力学性能。
进一步的，所述步骤(5)中，通过退火处理可以消除加工残余应力，防止复合材料使用期间产生缺陷。进一步的，所述步骤(5)中，热加工后的材料在马弗炉中加热到400℃～600℃下保温0.5-1小时，空气中自然冷却得到退火合金块体。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明采用钛合金粉和合金钢粉作为原材料，可有效降低产品成本。
本发明工艺采用的钛合金基体和合金钢增强体，在适当的真空热处理条件下，能够通过固相扩散形成良好的界面，从而避免传统复合材料界面难以控制的问题。
本发明工艺采用现有的常规设备即可实现生产，可有效降低成本和设备投入，制备方法简单，有利于实现工业化。
本发明首次运用粉末冶金方法制备了钛基复合材料，其中钛合金为基体相，合金钢为增强相，采用本发明所述方法制备得到的钛基复合材料，热加工前具有颗粒状的增强组织，显微硬度达400HV～650HV。根据不同应用对材料的需求，材料经过热锻造制成具有层片状的增强组织，显微硬度达600～1200HV。经过旋锻具有纤维状的增强组织，抗拉强度可达到1360Mpa，延伸率可达到9.3％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为发明钛基复合材料的制备方法的工艺流程图。
图2为本发明实施例1的钛基复合材料的径向截面金相微观组织照片。
图3为本发明实施例1的钛基复合材料的轴向截面金相微观组织照片。
图4为本发明实施例2的钛基复合材料的金相微观组织照片。
图5为本发明实施例3的钛基复合材料的金相微观组织照片。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
本实施例的钛基复合材料，包括基体相和增强相，所述基体相为钛合金，所述增强相为合金钢，其中，增强相的质量分数为8％。
本发明钛基复合材料的制备方法的工艺流程如图1所示，包括如下步骤：
(1)按合金钢质量分数为8％，将平均粒径为24μm的钛合金粉末、平均粒径为74μm的M2-HSS(购自赫格纳斯，Hoganas，China)合金钢粉末混合均匀，在200Mpa条件下，冷等静压2分钟制备得到相对密度为70％的压坯；
(2)将步骤(1)得到的压坯进行真空烧结，真空烧结温度为1000℃，真空度小于5×10-3Pa，保温时间为2小时，得到烧结块体；
(3)将步骤(2)得到的烧结块体在真空电阻炉中进行真空热处理，真空热处理温度为1000℃，热处理时间为2小时，真空度小于5×10-3Pa，保温得到真空热处理块体；
(4)将步骤(3)得到的真空热处理块体焊入不锈钢包套中，在1000℃温度条件下保温1小时后，采用旋锻工艺进行热变形加工，将复合材料的相对密度提高至97％，得到热加工块体；
(5)将步骤(4)得到的块体取出，在在马弗炉中加热到550℃保温1小时后，在空气中自然冷却后并除去不锈钢包套后得到本实施例的钛基复合材料。
本实施例的钛基复合材料的金相微观组织照片如图2、图3所示，为纤维状增强显微组织。采用室温拉伸性能测试本实施例的钛基复合材料的拉伸性能为1360Mpa，延伸率为9.3％。
实施例2：
本发明钛基复合材料及其制备方法的一种实施例。该钛基复合材料包括基体相和增强相，该基体相为钛合金，增强相为合金钢。其中，增强相的质量分数为30％。
本发明钛基复合材料的制备方法的工艺流程如图1所示，包括如下步骤：
(1)按合金钢质量分数为30％，将平均粒径为24μm的钛合金粉末、平均粒径为74μm的M2-HSS合金钢粉末混合均匀，在200Mpa条件下，冷等静压2分钟制得到制备得到相对密度为80％的压坯；
(2)将步骤(1)得到的压坯进行真空烧结，真空烧结温度为1000℃，真空度小于5×10-3Pa，保温时间为2小时，得到烧结块体；
(3)将步骤(2)得到的烧结块体在真空电阻炉中进行真空热处理，真空热处理温度为1000℃，热处理时间为4小时，真空度小于5×10-3Pa，保温得到真空热处理块体；
(4)将步骤(3)得到的真空热处理块体焊入不锈钢包套中，在1000℃温度条件下保温1小时后，采用热锻工艺进行热变形加工，将复合材料的相对密度提高至95％，得到热加工块体；
(5)将步骤(4)得到的块体取出，在马弗炉中加热到550℃保温1小时后，在空气中自然冷却后并除去不锈钢包套后得到本实施例的钛基复合材料。
本实施例的钛基复合材料的金相微观组织照片如图4所示，为层片状增强显微组织。采用显微硬度测试本实施例的钛基复合材料的显微硬度为700～1200HV。
实施例3：
本发明钛基复合材料及其制备方法的一种实施例。该钛基复合材料包括基体相和增强相，该基体相为钛合金，增强相为合金钢。其中，增强相的质量分数为5％。
本发明钛基复合材料的制备方法的工艺流程如图1所示，包括如下步骤：
(1)按合金钢质量分数为8％，将平均粒径为24μm的钛合金粉末、平均粒径为74μm的M2-HSS合金钢粉末混合均匀，在200Mpa条件下，冷等静压2分钟制得到制备得到相对密度为85％的压坯；
(2)将步骤(1)得到的压坯进行真空烧结，真空烧结温度为1000℃，真空度小于5×10-3Pa，保温时间为2小时，得到烧结块体；
(3)将步骤(2)得到的烧结块体在真空电阻炉中进行真空热处理，真空热处理温度为1000℃，热处理时间为2小时，真空度小于5×10-3Pa，保温得到真空热处理块体；
本实施例的钛基复合材料的金相微观组织照片如图5所示，为颗粒增强显微组织。采用显微硬度测试本实施例的钛基复合材料的显微硬度为400～450HV。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钛基复合材料，其特征在于，所述钛基复合材料包括基体相和增强相，所述基体相为钛或钛合金，所述增强相为合金钢，其中，增强相的质量分数为3％～50％。
2.根据权利要求1所述的钛基复合材料，其特征在于，所述钛基复合材料中的增强相显微结构为颗粒状、层片状或纤维状。
3.根据权利要求1所述的钛基复合材料，其特征在于，所述钛合金中包括铝元素和钒元素中的一种或两种，钛合金中钛元素的质量分数为85％以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的钛基复合材料，其特征在于，所述合金钢中包括铬、钒、钨和钼元素中的一种或多种，合金钢中铁元素的质量分数为80％～95％。
5.一种如权利要求1～4中任一项所述的钛基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)、将粒径小于45μm的钛合金粉末与粒径为45-200μm的合金钢粉末混合均匀，混合粉料中合金钢粉末的质量分数为3％～50％，将混合粉料经冷等静压压制得到压坯；
(2)、将步骤(1)所得压坯进行真空烧结，得到烧结块体；
(3)、将步骤(2)所得烧结块体进行真空热处理，得到真空热处理块体；
(4)、将步骤(3)所得真空热处理块体焊入不锈钢包套中进行热变形加工，得到热加工块体；
(5)、将步骤(4)所得热加工块体进行保温后取出，退火并拆除不锈钢包套后，即得钛基复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述冷等静压压制得到压坯具体是指：在室温条件下，在100Mpa～300Mpa压力下，冷等静压1～5分钟，制备得到相对密度为60％以上的压坯。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述真空烧结的温度为1000℃～1300℃，真空度小于5×10-3Pa，保温时间为0.5～4小时。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述真空热处理的处理温度为900℃～1100℃，热处理时间为1～4小时，真空度小于5×10-3Pa。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述热变形加工具体是指：将焊入不锈钢包套中的真空热处理块体在950℃～1050℃温度条件下进行加热，保温0.5～1小时，然后进行锻造或旋锻，锻造或旋锻过程中控制块体的变形量为75％～90％，制备得到相对密度为95％～100％的热加工块体。
10.根据权利要求5～9中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述保温的温度控制在400℃～600℃，保温时间为0.5～1小时，所述退火具体是指将取出后的块体在空气中自然冷却。
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