CN108193064A - 一种低成本工业化生产TiC颗粒增强钛基复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低成本工业化生产TiC颗粒增强钛基复合材料的方法，属于钛基复合材料制备技术领域。该方法的特征在于将氢化脱氢生产钛粉过程与复合材料增强相的加入过程进行一体化集成，具体包括以下步骤：将海绵钛原料加入卧式旋转氢化炉进行氢化、破碎、脱氢后直接通入CH4气体在700～900℃进行气固相反应，反应后钛粉表面均匀分布细小碳质点，再经过冷等静压成型和真空烧结得到原位生成的TiC颗粒增强钛基复合材料。本发明优点在于：一体化全流程工业化生产TiC颗粒增强钛基复合材料，材料增强相分布均匀，综合力学性能优异，成本低廉，适合进行大规模的工业化推广。

Description

一种低成本工业化生产TiC颗粒增强钛基复合材料的方法
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，，尤其涉及一种低成本工业化生产TiC颗粒增强钛基复合材料的方法。
背景技术
随着新技术革命浪潮的推进，传统的钛及钛合金已经越来越难以满足高技术的要求。钛基复合材料是指在钛或钛合金中引入增强体的一种复合材料。它兼具基体的延展性、韧性与增强体的高强度、高模量，从而获得比钛或钛合金更高的比强度、比刚度和抗高温性能，并且有优异的可设计性，因此近年日益受到国内外研究者的重视。
颗粒增强钛基复合材料中增强体的种类、尺寸和分布以及增强体与基体的界面结合性能都影响最终复合材料的性能。TiC在热力学上与钛及钛合金相容，密度和泊松比与钛相近，膨胀系数相差在50％以内，而且TiC的杨氏模量为440GPa，为钛的4倍，抗拉强度远比钛基体大，因此采用TiC作为增强颗粒，不仅性能优异，而且成本很低，适合工业化推广。
TiC颗粒强化钛基复合材料的粉末冶金制备方法一般是将钛粉和石墨烯，碳纤维，石墨纤维等碳的同素异形体进行混料后进行压制烧结原位生成TiC颗粒或者直接外加TiC颗粒制备TiC颗粒增强钛基复合材料，如专利号为CN104073750A,CN102382998A,CN106623899A等的中国专利公开的均是这种方法。但这种方法存在一些问题：(1)增强相的分布：外加固体颗粒的方法制备TiC增强钛基复合材料的增强相分布不均匀，尤其是当加入的是石墨烯等纳米级粉末，普通的混料过程难以将团聚的纳米粉末分散开，因此如何获得均匀分布的TiC颗粒是首要解决的问题；(2)工艺方法的优化：外加固体颗粒的方法首先需要制备元素粉，包括纯钛粉，碳基的粉末(石墨烯，石墨粉，碳纤维等)，然后再进行混粉，压制烧结等后续过程制备钛基复合材料。工艺过程较为复杂，成本高。而通过气固相方式引入TiC增强相的方式实现了和氢化脱氢制备钛粉工艺的一体化集成，大大缩短了工艺流程，保证了产品质量的同时降低了生产成本，适合进行工业化推广。这种TiC增强颗粒制备钛基复合材料的方法目前还未见报道。发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对目前普遍采用的外加碳基粉末制备TiC颗粒增强的钛基复合材料所存在的不足和缺陷，提供一种气固相反应制备TiC颗粒增强钛基复合材料的制备方法。
本发明所要解决的又一技术问题是工艺简单，成本较低的TiC颗粒增强钛基复合材料的制备方法。
本发明解决上述问题所采用的是低成本生产TiC颗粒增强钛基复合材料的全流程的粉末冶金工艺，即在氢化～脱氢生产钛粉工艺后利用氢化炉的余热通入一定流速的CH4气体，CH4气体裂解在钛粉表面均匀形成碳质点，随后在真空烧结过程中原位生成弥散分布的细小且与基体界面TiC第二相颗粒，从而获得了高性能的TiC颗粒增强钛基复合材料。、
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种低成本工业化生产TiC颗粒增强钛基复合材料的方法，其特征在于具体制备步骤如下：
(1)将海绵钛放入旋转氢化炉中，加热至500～800℃，保温30～120min，随后通入高纯氢气至0.03～0.2MPa氢化处理5～12h；
(2)将氢化处理后物料在氩气氛围进行球磨处理，处理后粉末粒度为5～50m；
(3)将上述粉末放入再次放入旋转氢化炉中抽真空加热至600～800℃进行脱氢，保温时间为5～12h；
(4)脱氢结束后氢化炉无需降温，继续保持温度在700～900℃之间，通入高纯CH4气体，流量控制在20～400slm，持续进行30～90min获得Ti-C复合粉末；
(5)将上述复合粉末在氩气保护的手套箱装入不同规格的橡胶包套中150～300MPa下冷等静压成型，后在1100～1300℃真空烧结，保温时间1～5h，获得TiC颗粒强化钛基复合材料(1～25vol％TiC)。
步骤(1)氢化温度为500～800℃之间，保温时间在30～120min，氢气压力为0.03～0.2MPa，氢化时间为5～12h。
步骤(2)中采取球磨破碎至粉末5～50μm之间。
步骤(3)脱氢温度控制在600～800℃，脱氢时间为5～12h。
步骤(4)中增强相的引入方式为通过CH4气体进行气固反应原位生成TiC颗粒，具体的工艺参数为反应温度700～900℃，流量控制为20～400slm，持续时间30～90min。
步骤(5)中成型工艺为：150～300MPa冷等静压，1100～1300℃真空烧结，保温时间1～5h。制备的钛基复合材料TiC颗粒体积比为1～25vol％。
本发明的有益效果是：
本发明的上述技术路线主要优点在于：(1)采用钛粉和CH4气体的气固反应来原位生成TiC颗粒增强相，避免了传统外加碳基粉末的TiC增强相引入方式，强化相分布更为均匀细小，与基体的界面洁净，能够制备高TiC含量钛基复合材料，材料的综合力学性能优良。(2)将氢化～脱氢过程与增强相加入进行一体化集成，缩短了工艺流程，同时避免了固体混料过程氧含量和其他杂质含量的增加。在提高了TiC增强钛基复合材料性能的同时降低了成本，适合工业化推广。
附图说明
图1位具体实施例1中TiC颗粒增强钛基复合材料的扫描电镜图片
图2以具体实施例2中TiC颗粒增强钛基复合材料的扫描电镜图片
图3以具体实施例3中TiC颗粒增强钛基复合材料的扫描电镜图片。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：1～7vol％TiC颗粒增强钛基复合材料
1.将100kg市售0A级海绵钛放入旋转氢化炉抽真空至0.1Pa以下，升温至400℃保温30min，随后通入高纯氢气至0.2MPa进行氢化处理10h；
2.将步骤1氢化处理后物料在氩气保护下球磨破碎，得到粉末粒度在5～50m之间；
3.将步骤2粉末再次装入旋转氢化炉抽真空至0.1Pa，升温至700℃脱氢处理10h；
4.步骤3后氢化炉不需冷却，即700℃直接通入高纯CH4气体，流量控制在100slm，时间为30min；
5.步骤4后的复合粉体在氩气保护的手套箱中装入不同规格的橡胶包套中250MPa下冷等静压成型，后在1100℃进行真空烧结，保温2h，获得1～7vol％TiC颗粒强化钛基复合材料。
实施例2：7～15vol％TiC颗粒增强钛基复合材料
1.将100kg市售0A级海绵钛放入旋转氢化炉抽真空至0.1Pa，升温至400℃通入高纯氢气至0.2MPa进行氢化处理10h；
2.将步骤1氢化处理后物料在氩气保护下球磨破碎，得到粉末粒度在5～50μm之间；
3.将步骤2粉末再次放入卧式旋转氢化炉抽真空至0.1Pa，升温至700℃脱氢处理10h；
4.步骤3后氢化炉不需冷却，再次加热至750℃通入高纯CH4气体，流量控制在100slm，时间为60min；
5.步骤4后的复合粉体在氩气保护的手套箱装入不同规格的橡胶包套中250MPa下冷等静压成型，在1150℃进行真空烧结，保温2h，获得7～15vol％TiC颗粒强化钛基复合材料。
实施例3：15～25vol％TiC颗粒增强钛基复合材料
1.将100kg市售0A级海绵钛放入旋转氢化炉抽真空至0.1Pa，升温至400℃通入高纯氢气至0.2MPa进行氢化处理10h；
2.将步骤1氢化处理后物料在氩气保护下球磨破碎，得到粉末粒度在5～50μm之间；
3.将步骤2粉末再次放入卧式旋转氢化炉抽真空至0.1Pa，升温至700℃脱氢处理10h；
4.步骤3后氢化炉不需冷却，再次加热至800℃通入高纯CH4气体，流量控制在100slm，时间为90min；
5.步骤4后的复合粉体在氩气保护的手套箱装入不同规格的橡胶包套中250MPa下冷等静压成型，在1200℃进行真空烧结，保温2h，获得15～25vol％TiC颗粒强化钛基复合材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种低成本工业化生产TiC颗粒增强钛基复合材料的方法，其特征在于具体制备步骤如下：
(1)将海绵钛放入旋转氢化炉中，加热至500～800℃，保温30～120min，随后通入高纯氢气至0.03～0.2MPa氢化处理5～12h；
(2)将氢化处理后物料在氩气氛围进行球磨处理，处理后粉末粒度为5～50m；
(3)将上述粉末放入再次放入旋转氢化炉中抽真空加热至600～800℃进行脱氢，保温时间为5～12h；
(4)脱氢结束后氢化炉无需降温，继续保持温度在700～900℃之间，通入高纯CH4气体，流量控制在20～400slm，持续进行30～90min获得Ti-C复合粉末；
(5)将上述复合粉末在氩气保护的手套箱装入不同规格的橡胶包套中150～300MPa下冷等静压成型，后在1100～1300℃真空烧结，保温时间1～5h，获得TiC颗粒强化钛基复合材料(1～25vol％TiC)。
2.根据权利要求1中所述的一种低成本工业化生产TiC颗粒增强钛基复合材料的方法，其特征在于步骤(1)氢化温度为500～800℃之间，保温时间在30～120min，氢气压力为0.03～0.2MPa，氢化时间为5～12h。
3.根据权利要求1中所述的一种低成本工业化生产TiC颗粒增强钛基复合材料的方法，其特征在于步骤(2)中采取球磨破碎至粉末5～50μm之间。
4.根据权利要求1中所述的一种低成本工业化生产TiC颗粒增强钛基复合材料的方法，其特征在于步骤(3)脱氢温度控制在600～800℃，脱氢时间为5～12h。
5.根据权利要求1中所述的一种低成本工业化生产TiC颗粒增强钛基复合材料的方法，其特征在于步骤(4)中增强相的引入方式为通过CH4气体进行气固反应原位生成TiC颗粒，具体的工艺参数为反应温度700～900℃，流量控制为20～400slm，持续时间30～90min。
6.根据权利要求1中所述的一种低成本工业化生产TiC颗粒增强钛基复合材料的方法，其特征在于步骤(5)中成型工艺为：150～300MPa冷等静压，1100～1300℃真空烧结，保温时间1～5h。制备的钛基复合材料TiC颗粒体积比为1～25vol％。
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