CN109338159B - 一种高塑性钛基复合材料制备方法 - Google Patents

一种高塑性钛基复合材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料加工领域，特别涉及一种高塑性钛基复合材料制备方法。本发明所述的高塑性钛基复合材料制备方法，包括以下步骤：1）球磨混粉：将TiB2粉末和TA15颗粒球磨，使TiB2粉末包覆在TA15颗粒的表层，得到TA15/TiB2核壳结构的初步粉体I；将TiB2粉末和TA2颗粒球磨，使TiB2粉末包覆在TA2颗粒的表层，得到TA2/TiB2核壳结构的初步粉体II；2）将初步粉体I和初步粉体II混合，置于模具中，惰性气体保护，热压烧结，保温，保压，冷却，得钛基复合材料。本发明提供的高塑性钛基复合材料制备方法提高了钛基复合材料的强度和塑性。

Description

一种高塑性钛基复合材料制备方法
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，特别涉及一种高塑性钛基复合材料制备方法。
背景技术
钛基复合材料具有比钛合金更高的比强度和比模量，具有极佳的疲劳和蠕变性能，并克服了原钛合金耐磨性及高温性能差等缺点。特别是具有增强相包围在球形基体周围形成的结构具有较好的强韧性配合，理论上较普通钛基复合材料具有更为优异的强度。但随着增强体的比例增加，所获得的钛基复合材料普遍塑性降低较多，因此提高钛基复合材料的塑性是当前技术瓶颈问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供高塑性钛基复合材料制备方法，提高了钛基复合材料的塑性。
本发明所述的高塑性钛基复合材料制备方法，包括以下步骤：
1）球磨混粉
将TiB2粉末和TA15颗粒球磨，使TiB2粉末包覆在TA15颗粒的表层，得到TA15/TiB2核壳结构的初步粉体I；
将TiB2粉末和TA2颗粒球磨，使TiB2粉末包覆在TA2颗粒的表层，得到TA2/TiB2核壳结构的初步粉体II；
2）将初步粉体I和初步粉体II混合，置于模具中，惰性气体保护，热压烧结，保温，保压，冷却，得钛基复合材料。
优选的，初步粉体I与初步粉体II的重量为初步粉体I:初步粉体II=1:1~10:1。
优选的，步骤1）中球磨时间为4~10小时，球料质量比为3:1~8:1。
优选的，步骤2）中将初步粉体I和初步粉体II混合选用V型混粉器，混合时间为4~12小时。
优选的，步骤2）中，热压烧结温度为1000ºC~1250ºC，压力为15~40MPa。
优选的，步骤2）中，保温时间为20~180分钟，保压时间为15~175分钟。
优选的，冷却为随炉冷却、空冷或放入保温箱中冷却。
优选的，步骤2）中惰性气体为氩气，气压为0.04~0.09MPa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明制备的钛基复合材料，反应生长出的TiB晶须分布具有不连续网状分布特征，可以有效的提高界面强度、克服金属材料高温晶界弱化的缺陷，提高材料的常温和高温强度。此外，在TA15和TA2颗粒相邻界面上，晶须倾向于向TA2颗粒生长，TA2颗粒属于纯钛，比TA15具有更好的塑性，晶须嵌入TA2，一方面有利于提高TA2颗粒的强度，进而削弱TA2基体较软带来的强度下降，另一方面减少TiB晶须带来的界面脆性问题，可以有效提高钛基复合材料的塑性。
此外，可针对产品不同部位对材料性能的要求，调整原材料复合粉体内部基体种类及增强体含量与分布来实现组织结构及力学性能可控的结构材料。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。
本发明采用的术语：
TA15系指组成为Ti-6Al-2V-2Zr的钛合金材料，属于(α+β)型钛合金；
TA2系指组成为工业纯Ti的钛合金材料，属于α型钛合金；
术语TiB增强体系指一种金属间化合物；
短纤维状系指增强体形态的长径比为3~10；
离散钉扎系指不连续分布，并嵌入基体当中。
1）球磨混粉
将TiB2粉末和TA15颗粒球磨，使TiB2粉末包覆在TA15颗粒的表层，得到TA15/TiB2核壳结构的初步粉体I；
将TiB2粉末和TA2颗粒球磨，使TiB2粉末包覆在TA2颗粒的表层，得到TA2/TiB2核壳结构的初步粉体II；
2）将初步粉体I和初步粉体II混合，置于模具中，惰性气体保护，热压烧结，保温，保压，冷却，得钛基复合材料。
测试其拉伸力学性能。
实施例1
1）球磨混粉
按质量比TiB2:TA15=1:100称取两种原料TiB2粉末和TA15颗粒，然后按球料质量比5:1称取研磨球，将两种原料球磨8小时，使TiB2粉末包覆在TA15颗粒的表层，得到TA15/TiB2核壳结构的初步粉体I；
按质量比TiB2:TA2=1:100称取两种原料TiB2粉末和TA2颗粒，然后按球料质量比5:1称取研磨球，将两种原料球磨8小时，使TiB2粉末包覆在TA2颗粒的表层，得到TA2/TiB2核壳结构的初步粉体II；
2）将初步粉体I和初步粉体II按质量比1:1使用V型混粉器混合8小时，将混合后的初步粉体置于石墨模具中，并装入真空热压烧结炉，通入氩气，气压为0.08MPa，同时在28MPa的压力下升温至1200ºC，热压烧结，保温60分钟，保压55分钟，随炉冷却后取出，得块体复合材料。
测试其拉伸力学性能，抗拉强度1200MPa，延伸率达12%。
实施例2
1）球磨混粉
按质量比TiB2:TA15=1.2:100称取两种原料TiB2粉末和TA15颗粒，然后按球料质量比5:1称取研磨球，将两种原料球磨6小时，使TiB2粉末包覆在TA15颗粒的表层，得到TA15/TiB2核壳结构的初步粉体I；
按质量比TiB2:TA2=1.2:100称取两种原料TiB2粉末和TA2颗粒，然后按球料质量比5:1称取研磨球，将两种原料球磨6小时，使TiB2粉末包覆在TA2颗粒的表层，得到TA2/TiB2核壳结构的初步粉体II；
2）将初步粉体I和初步粉体II按质量比3:1使用V型混粉器混合8小时，将混合后的初步粉体置于石墨模具中，并装入真空热压烧结炉，通入氩气，气压为0.08MPa，同时在28MPa的压力下升温至1100ºC，热压烧结，保温120分钟，保压115分钟，随炉冷却后取出，得块体复合材料。
测试其拉伸力学性能，抗拉强度1150MPa，延伸率达15%。
实施例3
1）球磨混粉
按质量比TiB2:TA15=0.5:100称取两种原料TiB2粉末和TA15颗粒，然后按球料质量比3:1称取研磨球，将两种原料球磨4小时，使TiB2粉末包覆在TA15颗粒的表层，得到TA15/TiB2核壳结构的初步粉体I；
按质量比TiB2:TA2=0.5:100称取两种原料TiB2粉末和TA2颗粒，然后按球料质量比3:1称取研磨球，将两种原料球磨4小时，使TiB2粉末包覆在TA2颗粒的表层，得到TA2/TiB2核壳结构的初步粉体II；
2）将初步粉体I和初步粉体II按质量比10:1使用V型混粉器混合4小时，将混合后的初步粉体置于石墨模具中，并装入真空热压烧结炉，通入氩气，气压为0.04MPa，同时在15MPa的压力下升温至1000ºC，热压烧结，保温20分钟，保压15分钟，取出在空气中冷却，得块体复合材料。
测试其拉伸力学性能，抗拉强度1100MPa，延伸率达11%。
实施例4
1）球磨混粉
按质量比TiB2:TA15=5:100称取两种原料TiB2粉末和TA15颗粒，然后按球料质量比8:1称取研磨球，将两种原料球磨10小时，使TiB2粉末包覆在TA15颗粒的表层，得到TA15/TiB2核壳结构的初步粉体I；
按质量比TiB2:TA2=5:100称取两种原料TiB2粉末和TA2颗粒，然后按球料质量比8:1称取研磨球，将两种原料球磨10小时，使TiB2粉末包覆在TA2颗粒的表层，得到TA2/TiB2核壳结构的初步粉体II；
2）将初步粉体I和初步粉体II按质量比10:1使用V型混粉器混合12小时，将混合后的初步粉体置于石墨模具中，并装入真空热压烧结炉，通入氩气，气压为0.09MPa，同时在40MPa的压力下升温至1250ºC，热压烧结，保温180分钟，保压175分钟，取出放入保温箱中冷却，得块体复合材料。
测试其拉伸力学性能，抗拉强度1050MPa，延伸率达10%。
实施例5
1）球磨混粉
按质量比TiB2:TA15=3:100称取两种原料TiB2粉末和TA15颗粒，然后按球料质量比8:1称取研磨球，将两种原料球磨10小时，使TiB2粉末包覆在TA15颗粒的表层，得到TA15/TiB2核壳结构的初步粉体I；
按质量比TiB2:TA2=3:100称取两种原料TiB2粉末和TA2颗粒，然后按球料质量比8:1称取研磨球，将两种原料球磨10小时，使TiB2粉末包覆在TA2颗粒的表层，得到TA2/TiB2核壳结构的初步粉体II；
2）将初步粉体I和初步粉体II按质量比10:1使用V型混粉器混合12小时，将混合后的初步粉体置于石墨模具中，并装入真空热压烧结炉，通入氩气，气压为0.085MPa，同时在40MPa的压力下升温至1150ºC，热压烧结，保温150分钟，保压145分钟，随炉冷却后取出，得块体复合材料。
测试其拉伸力学性能，抗拉强度1100MPa，延伸率达11%。

Claims (5)

1.一种高塑性钛基复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）球磨混粉
将TiB2粉末和TA15颗粒球磨，使TiB2粉末包覆在TA15颗粒的表层，得到TA15/TiB2核壳结构的初步粉体I；
将TiB2粉末和TA2颗粒球磨，使TiB2粉末包覆在TA2颗粒的表层，得到TA2/TiB2核壳结构的初步粉体II；
2）将初步粉体I和初步粉体II混合，置于模具中，惰性气体保护，热压烧结，保温，保压，冷却，得钛基复合材料；
步骤2）中，热压烧结温度为1000ºC~1250ºC，压力为15~40MPa；
步骤2）中，保温时间为20~180分钟，保压时间为15~175分钟；
初步粉体I与初步粉体II的重量为初步粉体I:初步粉体II=1:1~10:1。
2.根据权利要求1所述的高塑性钛基复合材料制备方法，其特征在于，步骤1）中球磨时间为4~10小时，球料质量比为3:1~8:1。
3.根据权利要求1所述的高塑性钛基复合材料制备方法，其特征在于，步骤2）中将初步粉体I和初步粉体II混合选用V型混粉器，混合时间为4~12小时。
4.根据权利要求1所述的高塑性钛基复合材料制备方法，其特征在于，冷却为随炉冷却、空冷或放入保温箱中冷却。
5.根据权利要求1所述的高塑性钛基复合材料制备方法，其特征在于，步骤2）中惰性气体为氩气，气压为0.04~0.09MPa。
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