CN109930029B - 一种TiB2/Ti2AlNb复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TiB₂/Ti₂AlNb复合材料及其制备方法，属于金属材料制造领域。所述制备方法包括：(1)在真空手套箱中秤取TiB₂粉末作为添加相和Ti₂AlNb预合金粉末作为基体粉末，将称量好的粉末在氩气气氛下进行机械搅拌；(2)在真空手套箱内将预搅拌的粉末和不锈钢研磨球一起放入球磨罐中球磨，使TiB₂与Ti₂AlNb预合金粉末充分混合，并且使得到的混合粉料的颗粒大小均匀；(3)将球磨得到的混合粉末放入铺有石墨纸的石墨模具中进行放电等离子烧结，待式样冷却到室温，取出样品，即得到本发明的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料。本发明工艺简单方便，各组分之间具有优异的稳定性，添加相与基体结合紧密，材料致密度高，组织均匀，复合材料的平均晶粒尺寸减小且材料的强度、硬度和耐磨性都显著优化。

Description

一种TiB2/Ti2AlNb复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，特别涉及一种TiB₂/Ti₂AlNb复合材料及其制备方法。

背景技术

Ti₂AlNb合金是钛合金中一种较为新型的合金，可以呈现α₂、O和β₂相的不同组织组成。因其低密度，高强度和优异的耐腐蚀性能在汽车制造、航空航天、生物医学等领域具有很高的应用价值和广阔的应用前景。

Ti₂AlNb改善了钛合金存在硬度低、化学性质较活泼、耐磨性较差等缺点，但是单一Ti₂AlNb无法使材料的性能得到大幅度提升满足市场的要求，使其在运动副零部件中的应用受到一定限制。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种TiB₂/Ti₂AlNb 复合材料及其制备方法，通过在钛合金中加入增强颗粒或填料以生产性能更优的复合材料，增强相的加入不仅能进一步提高钛合金的抗蠕变性和抗摩擦磨损性能，还能提高钛合金的比强度和比模量，提高钛合金硬度和稳定性。本发明制备方法简单，所得产品组织均匀、机械强度高、摩擦系数低、磨损率小、稳定性高、耐磨和减摩性能优异。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，按照如下步骤进行：

步骤(1)，以Ti₂AlNb球形预合金粉末为基体，以TiB₂不规则粉末为添加相先进行机械搅拌得到粉料；

步骤(2)，将步骤(1)所得的粉料进行球磨混粉，使TiB₂和Ti₂AlNb预合金粉末充分混合，其中，以质量百分比计，TiB₂的含量为TiB₂和Ti₂AlNb预合金粉末总质量的1％～20％；

步骤(3)，将步骤(2)处理后得到的混合粉料进行放电等离子烧结，烧结完毕后，待式样冷却到室温，得到TiB₂/Ti₂AlNb复合材料。

优选地，所述步骤(1)中，TiB₂粉末的粒度为4μm～8μm。

优选地，所述步骤(1)中，Ti₂AlNb预合金粉末的粒度为53μm～180μm。

优选地，所述步骤(1)中，机械搅拌30min～60min，机械搅拌时，混合粉末置于氩气氛围。

优选地，所述步骤(2)中，球磨混粉时球磨罐抽真空，球磨转速为300r/min～500r/min，球磨时间为16h～20h，使得到的混合粉料的颗粒大小均匀。

优选地，所述步骤(2)中，球料比为(3～8):1，所用研磨小球材质为不锈钢。

优选地，所述步骤(3)放电等离子烧结时，将烧结压力控制在35Mpa～50Mpa，自室温起以50℃/min～80℃/min的升温速率加热升温，升温至1000℃～1300℃，然后保温50min～80min，后以50℃/min～80℃/min的散热速率降温。

优选地，所述步骤(3)中，混合粉料装罐后使用石墨毡均匀包裹在石墨模具外部，以达到更好的保温效果。

本发明制备得到的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料，其平均显微硬度为 482.38HV～1446.3HV，平均摩擦系数为0.554～0.711，磨损率为 3.363×10^-4·mm³·N^-1·m^-1～5.957×10^-4·mm³·N^-1·m^-1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用粉末冶金的方法将TiB₂与Ti₂AlNb预合金粉混合，通过合理的球磨和烧结工艺，其制备过程简便，工艺流程短，成本低，通过本发明制备的制备方法，能够使TiB₂能均匀的分散在基体中，并且使TiB₂与Ti₂AlNb基体能紧密结合，使制备出的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的晶粒尺寸减小，显微硬度和摩擦磨损性能提高，平均显微硬度482.38HV～1446.3HV，平均摩擦系数为 0.554～0.711，磨损率为3.363×10^-4·mm³·N^-1·m^-1～5.957×10^-4·mm³·N^-1·m^-1。

由上述有益效果可知，本发明的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料中，TiB₂能均匀的分散在基体中，并且使TiB₂与Ti₂AlNb基体能紧密结合，使得材料的质量稳定，结构均匀，性能优异，制备简便。本发明所制备的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料具有良好的力学性能和摩擦磨损性能。

附图说明

图1为本发明实施例1制备得到的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料显微组织SEM照片。

图2为本发明实施例2制备得到的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料显微组织SEM照片。

图3为本发明实施例3制备得到的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料显微组织SEM照片。

图4为本发明实施例4制备得到的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料显微组织SEM照片。

图5为本发明实施例5制备得到的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料显微组织SEM照片。

图6为本发明实施例6制备得到的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料显微组织SEM照片。

图7为本发明实施例1～6获得的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的显微硬度图片。

图8为本发明实施例1～6获得的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的平均摩擦系数图。

图9为本发明实施例1～6获得的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的平均磨损率图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更清楚的理解本发明中的技术方案，下面给出的实例是对本发明做具体阐述，需要指出的是以下实例只适用于对本发明进一步说明。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分，不能理解为对本发明保护范围的限制。本领域的技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明一种TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)对真空手套箱通氩气，在真空手套箱中秤取TiB₂粉末作为添加相和 Ti₂AlNb预合金粉末作为基体粉末，以质量百分比计，TiB₂的含量为TiB₂与 Ti₂AlNb预合金粉末总质量的1wt.％～20wt.％，秤取过程手套箱内始终保持氩气气氛状态；将称量好的粉末在氩气气氛下进行机械搅拌30min～60min；

(2)将步骤(1)制得的粉料和不锈钢磨球一起放入球磨罐中，此过程手套箱内始终保持氩气气氛状态，球料比为(3～8)：1，然后将球磨罐放入真空套中抽真空，再将真空套固定在球磨机上，以转速为300r/min～500r/min，球磨16h～20h；使 TiB₂与Ti₂AlNb预合金粉末充分混合，并且使得到的混合粉料的颗粒大小均匀；

(3)将步骤(2)处理后的混合粉末放入铺有石墨纸的石墨模具中，并将石墨毡均匀包裹在石墨模具外部，以达到更好的保温效果使烧结时模具中受热更加均匀，然后将装有混合粉末的石墨模具放入放电等离子烧结设备中；

(4)放电等离子烧结设备进行抽真空并且开始对石墨模具两端加压，然后自室温开始加热，加热过程中石墨模具两端压力控制在35Mpa～50Mpa，升温速率为50℃/min～80℃/min，加热至1000℃～1300℃，然后保温50min～80min，后以 50℃/min～80℃/min的散热速率降温；待式样冷却到室温，取出样品，即得到本发明的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料。

本发明给出若干具体实施例如下。

实施例1

一种TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)按以质量百分比计，TiB₂的含量为TiB₂/Ti₂AlNb预合金粉末总质量的 1wt.％，在氩气气氛状态的手套箱中秤取TiB₂粉末作为添加相和Ti₂AlNb预合金粉末作为基体粉末。将称量好的粉末在氩气气氛下进行机械搅拌30min；

(2)将步骤(1)制得的粉料和不锈钢磨球一起放入球磨罐中，此过程手套箱内始终保持氩气气氛状态，球料比为3：1，然后将球磨罐放入真空套中抽真空，再将真空套固定在球磨机上，以转速为300r/min，球磨时间16h；

(3)将步骤(2)处理后的混合粉放入铺有石墨纸的石墨模具中，并将石墨毡均匀包裹在石墨模具外部，以达到更好的保温效果使烧结时模具中受热更加均匀，然后将装有混合粉末的石墨模具放入放电等离子烧结设备中；

(4)放电等离子烧结，烧结压力35Mpa，自室温开始加热，升温速率为 50℃/min，烧结温度1000℃，保温时间50min，后以50℃/min的散热速率降温；待烧结试样冷却至室温，取出样品，即得到本实施例的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料。

如图1所示，TiB₂呈粒状均匀分布在Ti₂AlNb基体上，基体没有气洞和裂纹，添加相与基体结合界面不存在孔隙，致密度高。通过显微硬度测量，材料的显微硬度为482.38HV，平均摩擦系数为0.604，磨损率为4.246×10^-4·mm³·N^-1·m^-1。

实施例2

一种TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)按以质量百分比计，TiB₂的含量为TiB₂/Ti₂AlNb预合金粉末总质量的 3wt.％，在氩气气氛状态的手套箱中秤取TiB₂粉末作为添加相和Ti₂AlNb预合金粉末作为基体粉末。将称量好的粉末在氩气气氛下进行机械搅拌40min；

(2)将步骤(1)制得的粉料和不锈钢磨球一起放入球磨罐中，此过程手套箱内始终保持氩气气氛状态，球料比为5：1，然后将球磨罐放入真空套中抽真空，再将真空套固定在球磨机上，以转速为350r/min，球磨时间18h；

(3)将步骤(2)处理后的混合粉末放入铺有石墨纸的石墨模具中，并将石墨毡均匀包裹在石墨模具外部，以达到更好的保温效果使烧结时模具中受热更加均匀，然后将装有混合粉末的石墨模具放入放电等离子烧结设备中；

(4)放电等离子烧结，烧结压力50Mpa，自室温开始加热，升温速率为 80℃/min，烧结温度1100℃，保温时间50min，后以50℃/min的散热速率降温；待烧结试样冷却至室温，取出样品，即得到本实施例的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料。

如图2所示，TiB₂呈粗针状、交错成60°角均匀分布在Ti₂AlNb基体上，材料表面不存在空隙或气孔，组织均匀且结构致密。通过显微硬度测量，材料的显微硬度为544.53HV，平均摩擦系数为0.629，磨损率为 4.476×10^-4·mm³·N^-1·m^-1。

实施例3

一种TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)按以质量百分比计，TiB₂的含量为TiB₂/Ti₂AlNb预合金粉末总质量的 5wt.％，在氩气气氛状态的手套箱中秤取TiB₂粉末作为添加相和Ti₂AlNb预合金粉末作为基体粉末。将称量好的粉末在氩气气氛下进行机械搅拌40min；

(2)将步骤(1)制得的粉料和不锈钢磨球一起放入球磨罐中，此过程手套箱内始终保持氩气气氛状态，球料比为5：1，然后将球磨罐放入真空套中抽真空，再将真空套固定在球磨机上，以转速为400r/min，球磨时间18h；

(3)将步骤(2)处理后的混合粉末放入铺有石墨纸的石墨模具中，并将石墨毡均匀包裹在石墨模具外部，以达到更好的保温效果使烧结时模具中受热更加均匀，然后将装有混合粉末的石墨模具放入放电等离子烧结设备中；

(4)放电等离子烧结，烧结压力50Mpa，自室温开始加热，升温速率为 60℃/min，烧结温度1100℃，保温时间60min，后以60℃/min的散热速率降温；待烧结试样冷却至室温，取出样品，即得到本实施例的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料。

如图3所示，TiB₂细针状交错分布在Ti₂AlNb基体上，基体没有气洞和裂纹，添加相与基体结合界面不存在孔隙，材料致密度高。通过显微硬度测量，材料的显微硬度为478.52HV，平均摩擦系数为0.597，磨损率为 3.7778×10^-4·mm³·N^-1·m^-1。

实施例4

一种TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)按以质量百分比计，TiB₂的含量为TiB₂/Ti₂AlNb预合金粉末总质量的10wt.％，在氩气气氛状态的手套箱中秤取TiB₂粉末作为添加相和Ti₂AlNb预合金粉末作为基体粉末。将称量好的粉末在氩气气氛下进行机械搅拌60min；

(2)将步骤(1)制得的粉料和不锈钢磨球一起放入球磨罐中，此过程手套箱内始终保持氩气气氛状态，球料比为8：1，然后将球磨罐放入真空套中抽真空，再将真空套固定在球磨机上，以转速为400r/min，球磨时间20h；

(3)将步骤(2)处理后的混合粉末放入铺有石墨纸的石墨模具中，并将石墨毡均匀包裹在石墨模具外部，以达到更好的保温效果使烧结时模具中受热更加均匀，然后将装有混合粉末的石墨模具放入放电等离子烧结设备中；

(4)放电等离子烧结，烧结压力50Mpa，自室温开始加热，升温速率为 80℃/min，烧结温度1200℃，保温时间70min，后以60℃/min的散热速率降温；待烧结试样冷却至室温，取出样品，即得到本实施例的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料。

如图4所示，TiB₂与Ti₂AlNb充分混合，溶于基体，基体致密度高，组织均匀。通过显微硬度测量，材料的显微硬度为511.1HV，平均摩擦系数为0.554，磨损率为3.363×10^-4·mm³·N^-1·m^-1。此时材料的摩擦磨损性能最优。

实施例5

一种TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)按以质量百分比计，TiB₂的含量为TiB₂/Ti₂AlNb预合金粉末总质量的15wt.％，在氩气气氛状态的手套箱中秤取TiB₂粉末作为添加相和Ti₂AlNb预合金粉末作为基体粉末。将称量好的粉末在氩气气氛下进行机械搅拌60min；

(2)将步骤(1)制得的粉料和不锈钢磨球一起放入球磨罐中，此过程手套箱内始终保持氩气气氛状态，球料比为8：1，然后将球磨罐放入真空套中抽真空，再将真空套固定在球磨机上，以转速为500r/min，球磨时间16h；

(3)将步骤(2)处理后的混合粉末放入铺有石墨纸的石墨模具中，并将石墨毡均匀包裹在石墨模具外部，以达到更好的保温效果使烧结时模具中受热更加均匀，然后将装有混合粉末的石墨模具放入放电等离子烧结设备中；

(4)放电等离子烧结，烧结压力50Mpa，自室温开始加热，升温速率为 80℃/min，烧结温度1200℃，保温时间80min，后以80℃/min的散热速率降温；待烧结试样冷却至室温，取出样品，即得到本实施例的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料。

如图5所示，TiB₂分布在Ti₂AlNb基体上存在少量聚集，经烧结后的材料不存在内裂纹或空隙，结构致密，通过显微硬度测量，材料的显微硬度为1264.3HV，平均摩擦系数为0.687，磨损率为5.175×10^-4·mm³·N^-1·m^-1。

实施例6

一种TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)按以质量百分比计，TiB₂的含量为TiB₂/Ti₂AlNb预合金粉末总质量的20wt.％，在氩气气氛状态的手套箱中秤取TiB₂粉末作为添加相和Ti₂AlNb预合金粉末作为基体粉末。将称量好的粉末在氩气气氛下进行机械搅拌60min；

(2)将步骤(1)制得的粉料和不锈钢磨球一起放入球磨罐中，此过程手套箱内始终保持氩气气氛状态，球料比为8：1，然后将球磨罐放入真空套中抽真空，再将真空套固定在球磨机上，以转速为500r/min，球磨时间20h；

(3)将步骤(2)处理后的混合粉末放入铺有石墨纸的石墨模具中，并将石墨毡均匀包裹在石墨模具外部，以达到更好的保温效果使烧结时模具中受热更加均匀，然后将装有混合粉末的石墨模具放入放电等离子烧结设备中；

(4)放电等离子烧结，烧结压力50Mpa，自室温开始加热，升温速率为 80℃/min，烧结温度1300℃，保温时间80min，后以80℃/min的散热速率降温；待烧结试样冷却至室温，取出样品，即得到本实施例的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料。

如图6所示，TiB₂分布在Ti₂AlNb基体上存在部分聚集，但材料依旧结构致密。通过显微硬度测量，材料的显微硬度为1446.3HV，平均摩擦系数为0.711，磨损率为5.957×10^-4·mm³·N^-1·m^-1，此时材料的硬度达到最大。

由材料的硬度曲线可以看出：随着TiB₂含量的增加，复合材料的硬度增加，从扫描照片中可以看出，少量的TiB₂的添加可以减小晶粒尺寸，SPS烧结可以有效地分散添加相并使得添加相与基体结合紧密；大量的添加TiB₂时会出现聚集现象。由材料的摩擦磨损曲线可以看出：均匀混合后TiB₂能有效的改善材料的摩擦磨损性能，降低材料的摩擦系数和磨损率。

Claims (8)

1.一种TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

步骤(1)，以Ti₂AlNb球形预合金粉末为基体，以TiB₂不规则粉末为添加相先进行机械搅拌得到粉料；

步骤(2)，将步骤(1)所得的粉料进行球磨混粉，使TiB₂和Ti₂AlNb预合金粉末充分混合，其中，以质量百分比计，TiB₂的含量为TiB₂和Ti₂AlNb预合金粉末总质量的10％～20％，球磨混粉时球磨罐抽真空，球磨转速为300r/min～500r/min，球磨时间为16h～20h，使得到的混合粉料的颗粒大小均匀；

步骤(3)，将步骤(2)处理后得到的混合粉料进行放电等离子烧结，将烧结压力控制在35MPa ～50MPa ，自室温起以50℃/min～80℃/min的升温速率加热升温，升温至1000℃～1300℃，然后保温50min～80min，后以50℃/min～80℃/min的散热速率降温，烧结完毕后，待式样冷却到室温，得到TiB₂/Ti₂AlNb复合材料。

2.根据权利要求1所述TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，TiB₂粉末的粒度为4μm～8μm。

3.根据权利要求1所述TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，Ti₂AlNb预合金粉末的粒度为53μm～180μm。

4.根据权利要求1所述TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，机械搅拌30min～60min，机械搅拌时，混合粉末置于氩气氛围。

5.根据权利要求1所述TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，球料比为(3～8):1，所用研磨小球材质为不锈钢。

6.根据权利要求1所述TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，混合粉料装罐后使用石墨毡均匀包裹在石墨模具外部，以达到更好的保温效果。

7.上述权利要求1～6任一方法制备的TiB₂/Ti₂AlNb复合材料。

8.根据权利要求7所述TiB₂/Ti₂AlNb复合材料，其特征在于，其平均显微硬度为482.38HV～1446.3HV，平均摩擦系数为0.554～0.711，磨损率为3.363×10^-4·mm³·N^-1·m^-1～5.957×10^-4·mm³·N^-1·m^-1。

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