CN107460369A - 钛基复合材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种钛基复合材料及其制造方法，该钛基复合材料选自α相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属钛母材，并添加其中至少一种含有10％以上成分的碳化物、氮化物、氧化物或硼化物的陶瓷粉末强化复合材料，或是添加其中至少一种含有10％以上成分的钛酸盐、铌化物、钡化物、锶化物、钽化物、钇化物陶瓷或铁电体粉末构成的粉末强化复合材料，或是添加其中至少一种含有10％以上成分的钕铁硼化合物或钐钴化合物的磁性粉末强化复合材料，再以10％～70％总体积比例的粉末强化复合材料与该钛金属母材混合后，以铸造、烧结或加压方式，予以制造成具有母材与复合材料两者物理或化学、电气性质兼具的钛基复合材料。

Description

钛基复合材料及其制造方法

技术领域

本发明为一种在纯钛或钛合金母材加入陶瓷或磁性粉末强化复合材料铸造、烧结或加压方式制成具有母材与复合材料两者物理或化学、电气性质兼具的钛基复合材料及其制造方法。

背景技术

按，习知钛合金具有高强度、重量轻、高的耐热性的特征，因此大量使用于需要高比强度的场合。为拓展相关应用，已有多种以复合方式与相关制程改良其基础物性，如韧性、抗拉与降伏强度为目的的相关技术开发，但是习知的钛合金由于其较低耐磨耗性与低导热性的问题，故目前所披露的相关技术内容仍不可或不确定能运用于摩擦或具有摩擦、导热要求的零组件中，使其应用受限。

此外，为使钛与其合金产生原先所不具有的特征，亦可添加具有电磁特性的成分，则复合后材质将具有等同添加量的电磁特性，如压电效应、焦电效应、磁力效应等，可应用于各种特定的领域。

例如增加导热、耐磨、表面硬度可藉由在钛金属母材视实施需要添加其中一种或数种含有10％以上成分的碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等成分的陶瓷材料。

对于需要压电效应、焦电效应者，可以视实施需要添加其中一种或数种含有10％以上成分的钛酸盐、铌化物、钡化物、锶化物、钽化物、钇化物或铁电体等成分的粉末材料。

对于需要磁力效应可视实施需要添加其中一种或数种含有10％以上成分的钕铁硼化合物或钐钴化合物等磁性粉末混入制成复合性质磁铁，增加强磁性体的物理特性，更适于成形、抵抗环境影响。

在相关先前专利技术及习知技术文献方面，如美国发明专利号码US5897830号「P/M titanium composite casting」发明专利案，为如同上述习知的钛合金一般，仍存有该习知钛合金材料低耐磨耗性与低导热性的问题，而无法应用于需高耐磨耗性与高导热性的车辆零组件中的缺点，更无多样性的材料性质呈现。

发明内容

上述习知钛合金与习知先前专利技献、技术文献所揭示的钛合金材料，存有较低耐磨耗性与低导热性、或仅具单纯机械性质的问题与缺点。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：本发明的钛基复合材料，该钛基复合材料选自α相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属钛母材，并添加其中至少一种含有10％以上成分的碳化物、氮化物、氧化物或硼化物的陶瓷粉末强化复合材料，或是添加其中至少一种含有10％以上成分的钛酸盐、铌化物、钡化物、锶化物、钽化物、钇化物成分或铁电体的粉末强化复合材料，或是添加其中至少一种含有10％以上成分的钕铁硼化合物或钐钴化合物的磁性粉末强化复合材料，再以10％～70％总体积比例的粉末强化复合材料与该钛金属母材混合后，以铸造或烧结、或者加压方式制成。

上述本发明的钛基复合材料，其中，该粉末强化复合材料为含有10％以上成分的碳化物陶瓷构成。

上述本发明的钛基复合材料，其中，该粉末强化复合材料为含有10％以上成分的氮化物陶瓷构成。

上述本发明的钛基复合材料，其中，该粉末强化复合材料为含有10％以上成分的氧化物陶瓷构成。

上述本发明的钛基复合材料，其中，该粉末强化复合材料为含有10％以上成分的硼化物陶瓷构成。

上述本发明的钛基复合材料，其中，该粉末强化复合材料为含有10％以上成分的钛酸盐构成。

上述本发明的钛基复合材料，其中，该粉末强化复合材料为含有10％以上成分的铌化物构成。

上述本发明的钛基复合材料，其中，该粉末强化复合材料为含有10％以上成分的钡化物构成。

上述本发明的钛基复合材料，其中，该粉末强化复合材料为含有10％以上成分的锶化物构成。

上述本发明的钛基复合材料，其中，该粉末强化复合材料为含有10％以上成分的钽化物构成。

上述本发明的钛基复合材料，其中，该粉末强化复合材料为含有10％以上成分的钇化物构成。

上述本发明的钛基复合材料，其中，该粉末强化复合材料为含有10％以上成分的铁电体构成。

上述本发明的钛基复合材料，其中，该粉末强化复合材料为含有10％以上成分的钕铁硼化合物构成。

上述本发明的钛基复合材料，其中，该粉末强化复合材料为含有10％以上成分的钐钴化合物构成。

本发明的钛基复合材料的制造方法，其步骤包括：

(a)加热至熔解，将自α相相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属钛母材以混合10％～70％总体积比例的陶瓷粉末强化复合材料，加热至熔解形成铸液；

(b)铸液搅拌，将步骤a所形成的熔解铸液进行搅拌；

(c)铸液加压，将步骤b的铸液进行加压处理；

(d)注入模具，将步骤c的铸液倒入模具中；

(e)冷却成形，将步骤d的模具予以冷却成形，形成钛基复合材料产品。

进一步，本发明的钛基复合材料的制造方法，其步骤包括：

(a1)材料混合，粒径在0.8厘米以下的自α相相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属钛母材钛合金粉末，以10％～70％总体积比例的陶瓷粉末强化复合材料一并混合；

(b1)坯料制备，将步骤a1经材料混合的混合粉末以常温或加热将其挤压形成为坯料；

(C1)烧结成型，以烧结的方式将步骤b1的混合粉末坯料烧结成型，形成钛基复合材料产品。

再进一步，本发明的钛基复合材料的制造方法，其步骤包括：

(a2)材料混合，粒径在0.8厘米以下的自α相相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属钛母材钛合金粉末，以10％～70％总体积比例的磁性粉末强化复合材料一并混合；

(b2)加压成型，以加压的方式将步骤A2混合粉末材料封入、填入或挤入一特定的模具或治具内，再将混合粉末材料予以加压致密，形成钛基复合材料产品。

本发明的钛基复合材料及其制造方法的功效，在于藉由在α相相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属钛母材中，添加其中至少一种含有10％以上成分的碳化物、氮化物、氧化物或硼化物构成的陶瓷粉末强化复合材料，添加的粉体材质在与其α相，α相+β相晶格或β相晶格产生中间相之后，仍维持原有的硬度，因此可进一步增加其抗磨性与表面最大硬度值，得以使该最后形成的钛基复合材料成品应用于耐磨耗、高导热的相关用途中。

此外，因为电气性能实属机能性材料中极其重要的一环，因此本发明的钛基复合材料亦能加入具有电气性能的陶瓷材料，可视不同的应用物品需要，如压晶体管、焦电组件、半导体靶材等应用物品添加其中至少一种含有10％以上成分的钛酸盐、铌化物、钡化物、锶化物、钽化物、钇化物成分或铁电体等粉末强化复合材料，使其产生相应的电气特性，如压电的压电效应性能、焦电的热电转换感温性能等，或是在磁铁的应用物品中，添加其中至少一种含有10％以上成分的钕铁硼化合物或钐钴化合物磁性粉末使其产生磁场或磁力等特性。

附图说明

图1为本发明的钛基复合材料局部剖面放大图；

图2为本发明的钛基复合材料的制造方法流的第一实施例流程图；

图3为本发明的钛基复合材料的制造方法流的第二实施例流程图；

图4为本发明的钛基复合材料的制造方法流的第三实施例流程图；

图5为本发明的钛基复合材料应用于车辆离合器片的应用例图；

图6为本发明的钛基复合材料应用于另一种车辆离合器片的应用例图；

图7为本发明的钛基复合材料应用于车辆汽缸的活塞及汽缸套的应用例图；

图8为本发明的钛基复合材料应用于车辆碟式剎车盘的剎车片的应用例图；

图9为本发明的钛基复合材料应用于车辆凸轮轴的应用例图；

图10为本发明的钛基复合材料应用于一压晶体管组件的应用例图；

图11为本发明的钛基复合材料应用于于一成对对偶的陶瓷压晶体管组件的应用例图；

图12为本发明的钛基复合材料应用于一焦电组件所构成的温度传感器的应用例图；

图13为本发明的钛基复合材料应用于一半导体靶材的应用例图；

图14为本发明的钛基复合材料应用于一磁铁组件的应用例图。

标号说明：

100、钛基复合材料； 10、钛合金母材；

20、粉末强化复合材料； 200、加热至熔解；

210、铸液搅拌； 220、铸液加压；

230、注入模具； 240、冷却成形；

250、材料混合； 260、坯料制备；

270、烧结成型； 280、材料混合；

281、加压成型； 300a、车辆离合器；

300b、车辆离合器； 400、车辆汽缸；

410、活塞； 420、汽缸套；

500、碟式剎车盘； 510、剎车片；

600、车辆凸轮轴； 700、压晶体管；

710、压力传感器； 710a、外壳；

710b、腔室； 710c、压晶体管承体；

710d、导针； 710e、弹簧；

720、陶瓷压晶体管； 730、陶瓷压晶体管；

740、弹性金属构件； 800、焦电组件；

810、外壳； 820、接脚；

830、接脚； 840、接脚；

900、半导体靶材； 950、磁铁。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明的钛基复合材料100，该钛基复合材料100包括选自α相相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属的钛金属母材10，以及，混合粒径在0.8厘米(mm)以下，10％～70％总体积比例的粉末强化复合材料20，以铸造、烧结或加压方式制成，该粉末强化复合材料20可以是由含有10％以上成分的碳化物、氮化物、氧化物或硼化物等成分的陶瓷材料的其中至少一种构成，或是含有10％以上成分的钛酸盐、铌化物、钡化物、锶化物、钽化物、钇化物、或含有10％以上成分的铁电体成分的其中至少一种材料构成，或是含有10％以上成分的钕铁硼化合物、钐钴化合物等的其中至少一种磁性粉末所构成。

请再配合图2所示，为本发明的钛基复合材料的制造方法流的第一实施例流程图，包含有步骤200～240，其中：

(200)加热至熔解，将选自α相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属等钛金属母材10，以与10％～70％总体积比例的粉末强化复合材料20，加热至熔解形成铸液，该粉末强化复合材料20可以是含有10％以上成分的碳化物、氮化物、氧化物或硼化物等陶瓷材料的其中至少一种构成，或是含有10％以上成分的钛酸盐、铌化物、钡化物、锶化物、钽化物、钇化物或铁电体等的其中至少一种构成，或是含有10％以上成分的钕铁硼化合物、钐钴化合物成分的磁性粉末的其中至少一种所构成；

(210)铸液搅拌，将步骤200所形成的熔解铸液进行搅拌；

(220)铸液加压，将步骤210的铸液进行加压处理；

(230)注入模具，将步骤220的铸液倒入模具中；

(240)冷却成形，将步骤230的模具予以冷却处理，脱模形成钛基复合材料100成品。

再参阅图3所示，为本发明的钛基复合材料的制造方法的第二实施例流程图，包含有步骤250～270，其中：

(250)材料混合，粒径在0.8厘米以下的α相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属等钛金属粉末的钛合金母材10，以与10％～70％总体积比例的其中至少一种的粉末强化复合材料20一并混合，该粉末强化复合材料20同样可以如上述图2步骤200所述的陶瓷或磁性粉末强化复合材料20所构成；

(260)坯料制备，将步骤250经材料混合的混合粉末以常温或加热将其挤压形成为坯料；

(270)烧结成型，以烧结的方式将步骤260的混合粉末坯料烧结成型，形成钛基复合材料100产品。

再参阅图4所示，为本发明的钛基复合材料的制造方法的第三实施例流程图，包含有步骤280～281，其中：

(280)材料混合，粒径在0.8厘米以下的自α相相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属等钛金属粉末的钛合金母材10粉末，以与10％～70％总体积比例的其中至少一种的粉末强化复合材料20一并混合，该粉末强化复合材料20同样可以如上述图2步骤200所述的陶瓷或磁性粉末强化复合材料20所构成；

(281)加压成型，以加压的方式将步骤280混合粉末材料封入、填入或挤入一特定的模具或治具内，再将混合粉末材料予以加压致密，形成钛基复合材料100产品。

请再参阅图5及图6所示，显示本发明的钛基复合材料100应用于车辆离合器300a及300b的离合器片310的状态。

请再配合图7所示，显示本发明的钛基复合材料100应用于车辆汽缸400的活塞410及汽缸套420的状态。

请再参阅图8所示，显示本发明的钛基复合材料100应用于车辆碟式剎车盘500的剎车片510的状态。

请再配合图9所示，显示本发明的钛基复合材料100应用于车辆凸轮轴600的状态。

请再参阅图10所示，显示本发明的钛基复合材料100应用于一压晶体管700组件的状态，其中，显示该压晶体管(Piezoelectric Crystals)700装置在一压力传感器710的外壳710a内的腔室710b的压晶体管承体710c中，该压晶体管700的一面连结一导针710d，该导针710d由一弹簧710e作弹性伸缩制导，以使该压力传感器710可藉由该导针710d末端传导感测压力至该使用本发明的钛基复合材料100一体制成的压晶体管700，而产生对应电流，以侦测压力值外，并使该压晶体管700具有较佳的耐挤、耐压与耐久性能的物理特性。

请再配合图11所示，显示本发明的钛基复合材料100应用于一成对对偶的陶瓷压晶体管720及730组件的状态，该陶瓷压晶体管720及730分别代表受压振动时，压电电位的正极与负极，其中，显示该复数对的陶瓷压晶体管720及730装置在一弹性金属构件740一面，当该弹性金属构件740受压振动变形时，可藉由该成对的陶瓷压晶体管720及730间的交变电流变化大小与电子传导方向(如图11中的箭头方向所示)、极性，来判断该弹性金属构件740受压变形方向、部位与承受压力的大小，可利用于如车辆与飞行载具的车壳或铝合金蒙皮压力受压变形的金属疲乏或金属疲劳的检测或感测，当然地，该使用本发明的钛基复合材料100所一体制成的陶瓷压晶体管720及730，同样具有耐挤、耐压与耐久的物理特性。

请再参阅图12所示，显示本发明的钛基复合材料100应用于一焦电组件800，即将本发明的钛基复合材料100加入能随温度变化产生不同电动势的焦电材料一体制成该焦电组件800，可以产生良好的热电转换物理性能与所需耐热特性，并且，经由一外壳810及复数接脚820、830及840封装，可以形成如温度传感器或热电偶的实体感温电子组件。

请再配合图13所示，显示本发明的钛基复合材料100应用于一半导体靶材900，用于半导体的蒸镀或覆盖靶材，其中，将本发明的钛基复合材料100加入该半导体靶材900中一体制成，即以具有导热、耐磨、抗化学侵蚀等性能的钛基复合材料100制成该半导体靶材900，使该半导体靶材900所具备的导热、耐磨、抗化学侵蚀等全部材料的物理性，例如：纯金抗蚀、纯银导电导温等特性，都会转移至被蒸镀或覆盖批覆的目标半导体产品上，也就是经此半导体靶材900所制成的半导体成品表面将具有导热、耐磨、抗化学侵蚀等性能。

请再参考图14所示，显示本发明的钛基复合材料100应用于一磁铁950组件，即以上述钕铁硼化合物、钐钴化合物化合物等磁性粉末所构成的粉末强化复合材料20与钛金属母材10所构成的磁铁950组件，以产生良好强化磁铁结构强度的物理性能，使其不易碎，并扩展更多应用于缩小磁铁950产品尺寸的精密工业技术领域。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种钛基复合材料，其特征在于，包括选自α相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属的钛金属母材，以及，混合粒径在0.8厘米以下，10％～70％总体积比例的至少一种含有10％以上成分的氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、钛酸盐、铌化物、钡化物、锶化物、钽化物、钇化物、铁电体、钕铁硼化合物、钐钴化合物其中任一种的粉末强化复合材料，以铸造方式制成。

2.一种钛基复合材料，其特征在于，包括选自α相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属的钛金属母材，以及，混合粒径在0.8厘米以下，10％～70％总体积比例的至少一种含有10％以上成分的氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、钛酸盐、铌化物、钡化物、锶化物、钽化物、钇化物、铁电体、钕铁硼化合物、钐钴化合物其中任一种的粉末强化复合材料，以烧结方式制成。

3.一种钛基复合材料，其特征在于，包括选自α相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属的钛金属母材，以及，混合粒径在0.8厘米以下，10％～70％总体积比例的至少一种含有10％以上成分的氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、钛酸盐、铌化物、钡化物、锶化物、钽化物、钇化物、铁电体、钕铁硼化合物、钐钴化合物其中任一种的粉末强化复合材料，以加压方式制成。

4.一种钛基复合材料的制造方法，其特征在于，其步骤包含有：

(A)加热至熔解，将选自α相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属的钛金属母材，混合粒径在0.8厘米以下，10％～70％总体积比例的至少一种含有10％以上成分的氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、钛酸盐、铌化物、钡化物、锶化物、钽化物、钇化物、铁电体、钕铁硼化合物、钐钴化合物其中任一种的粉末强化复合材料，加热至熔解形成铸液；

(B)铸液搅拌，将步骤A所形成的熔解铸液进行搅拌；

(C)铸液加压，将步骤B的铸液进行加压处理；

(D)注入模具，将步骤C的铸液倒入模具中；

(E)冷却成形，将步骤D的模具予以冷却处理，脱模形成钛基复合材料成品。

5.一种钛基复合材料的制造方法，其特征在于，其步骤包含有：

(A1)材料混合，选自粒径在0.8厘米以下的α相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属的钛金属母材，以10％～70％总体积比例的含有10％以上成分的氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、钛酸盐、铌化物、钡化物、锶化物、钽化物、钇化物、铁电体、钕铁硼化合物、钐钴化合物其中任一种的粉末强化复合材料粉末一并混合；

(B1)坯料制备，将步骤A1经材料混合的混合粉末以常温或加热将其挤压为坯料；

(C1)烧结成型，以烧结的方式将步骤B1的混合粉末坯料烧结成型，形成钛基复合材料产品。

6.一种钛基复合材料的制造方法，其特征在于，其步骤包含有：

(A2)材料混合，选自粒径在0.8厘米以下的α相纯钛或钛合金母材，α相+β相纯钛或钛合金母材，β相纯钛或钛合金母材，或者Omega相介金属的钛金属母材，以10％～70％总体积比例的至少一种含有10％以上成分的氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、钛酸盐、铌化物、钡化物、锶化物、钽化物、钇化物、铁电体、钕铁硼化合物、钐钴化合物其中任一种的粉末强化复合材料一并混合；

(B2)加压成型，以加压的方式将步骤A2混合粉末材料封入、填入或挤入一特定的模具或治具内，再将混合粉末材料予以加压致密，形成钛基复合材料产品。