CN110735063B - 一种高性能高温钛合金基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高性能高温钛合金基复合材料的制备方法，其特征是它以90wt.%Ti合金粉为基体以及7vol.%SiCp增强体粉末通过放电等离子烧结原位反应生成TiC及Ti5Si3增强相来制备的钛基复合材料。制备步骤：1.利用雾化法制粉；2.湿磨7vol.%SiCp增强体粉末；3.湿磨基体和增强体混合粉末；4.在真空干燥箱进行烘干；5.干磨；6.200目过筛；7.在烧结温度1350℃，烧结压力50MPa条件下进行放电等离子烧结；8.进行固溶时效。本发明中复合材料的显微硬度为724.56HV，复合材料氧化增重为1.7305 mg·cm‑2，750℃下100h的高温氧化后复合材料氧化膜厚度约为16μm。

Description

一种高性能高温钛合金基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种钛基复合材料的制备技术，尤其是一种TiC及Ti5Si3增强的钛基复合材料，具体的说是以一种SiC和耐高温钛合金为原料，利用放电等离子烧结（SPS）原为反应生成TiC及Ti5Si3等增强相的高性能高温钛合金基复合材料的制备方法。
背景技术
高温钛合金具有密度小、比强度高、耐高温等优点，在航空航天，武器装备等领域有广大的应用背景，以现有的高温钛合金基制备的钛基复合材料其耐高温最多也不能达到750℃。相比于钛合金，以高温钛合金为基体的钛基复合材料有更好的耐热性能。SiC与Ti在高温下生成TiC及Ti5Si3，TiC具有增强作用，Ti5Si3是典型的轻质耐高温的金属间化合物。
放电等离子是一种快速烧结的方法，可以通过利用脉冲电流形成的电场净化金属粉末表面，同时还有反应温度低、升温速度快、烧结时间短，而且还是在一定的压力下进行烧结，这样可以使得材料组织更加致密等特点。有望制备具有优异性能的钛基复合材料。迄今为止，尚未发现以SiC和耐高温钛合金为原料，利用放电等离子烧结制备钛基复合材料的工艺路线。
发明内容
本发明的目的是针对现有的钛基复合材料制备工艺复杂，发明一种以SiC与高温钛合金为原料，利用湿磨增强体，加入基体湿磨，干磨，烘干，筛粉，放电等离子烧结等技术路线高性能高温钛合金基复合材料的制备方法。
本发明的技术方案是：
一种高性能高温钛合金基复合材料的制备方法，其特征是它由93 vol % 钛基体以及7vol.%SiCp作为增强体的供源体，通过湿磨增强体，加入基体湿磨，干磨，烘干，筛粉，放电等离子烧结原位反应生成TiC及Ti5Si3增强相制备而成，所述的钛基体由90wt.%Ti合金粉Ti-6.01Al-2.55Sn-6.24Zr-1.23Nb-1.84Mo-0.19Si和10wt.%纯Ti粉构成。包括以下步骤：
（1）利用雾化法制备90wt.%Ti合金粉和10wt.%纯Ti粉，得到基体粉；
（2）湿磨7vol.%SiCp增强体粉末；球磨机转速300±50r/min，湿磨时间24h；
（3）湿磨基体粉和增强体混合粉末；球磨机转速300±50r/min，湿磨时间48h；
（4）烘干；将复合粉料置于真空干燥箱，随干燥箱升温至60±5℃后保温12 h；
（5）干磨；球磨机转速300±50r/min，干磨时间8h；
（6）200目过筛；
（7）放电等离子烧结；升温速率100±5℃/min，烧结温度1350±10℃，烧结压力50±5MPa，保温时间10±1min，真空度3Pa以下；
（8）固溶时效；1000±10℃/3h/AC（空冷）+750±10℃/3h/AC（空冷）。
所述的7vol.%SiCp增强体的颗粒粒径1μm，纯度大于99%。
本发明的有益效果是：
（1）本发明创新性地提出以93 vol % 钛基体，和7vol.%SiCp做为原料，其中钛基体由90wt.%Ti合金粉Ti-6.01Al-2.55Sn-6.24Zr-1.23Nb-1.84Mo-0.19Si和10wt.%纯Ti粉构成，利用放电等离子烧结原为反应生成TiC及Ti5Si3增强相来制备钛基复合材料。
（2）本发明在进行热处理后，基体合金的显微硬度为532.25HV，添加7vol.% SiCp制备的复合材料的显微硬度为724.56HV，与基体合金相比提高了约36.13%，硬度提升效果明显。与氩气保护烧结（APS）法相比，采用放电等离子烧结法（SPS）的复合材料的显气孔率比APS的显气孔率下降76.8%。
（3）本发明在进行热处理后，观察在750℃下100h后的高温氧化后，基体合金的氧化增重为2.5724 mg·cm-2，添加7vol.% SiCp的复合材料氧化增重为1.7305 mg·cm-2，仅为基体合金的67.27%。其中基体合金及7vol.% SiCp复合材料的氧化增重分别仅为APS工艺的23.5%及26.2%。
（4）本发明发现在热处理后，观察750℃下100h的高温氧化后氧化膜都较薄，其中基体合金的氧化膜厚度约为24μm，添加7vol.% SiCp制备的复合材料氧化厚度约为16μm，氧化膜厚度较基体合金明显减小，仅为基体合金的66.7%。与氩气保护烧结方法（APS）相比较，采用SPS工艺制备的基体合金及7vol.% SiCp的复合材料氧化膜厚度仅为APS工艺的33.3%和64.1%。
附图说明
图1是本发明的基体以及加入7vol.% SiCp增强体复合材料的XRD图谱；
图2是本发明的形貌图；（a）基体SEM形貌图；（b）SPS:加入7vol.% SiCp增强体复合材料的SEM形貌图;（c）APS:加入7vol.% SiCp增强体复合材料的SEM形貌图；
图3是本发明的基体以及加入7vol.% SiCp增强体复合材料SPS,APS两种方法的显气孔率图；
图4是本发明的基体以及加入7vol.% SiCp增强体复合材料的显微硬度图；
图5是本发明的基体以及加入7vol.% SiCp增强体复合材料SPS.APS两种方法的750℃氧化100h的氧化动力学曲线；
图6是本发明在750℃下氧化100h后氧化横截面形貌；（a）基体；（b）SPS：加入7vol.% SiCp；（c）APS：加入7vol.% SiCp。
具体实施方式
以下结合附图以及具体实施例对本发明做出进一步的说明。
实施例一。
如图1-6所示。
一种高性能高温钛合金基复合材料的制备方法（SPS法），以93 vol % 钛基体和7vol.%SiCp做为原料（其中钛基体由90wt.%Ti合金粉Ti-6.01Al-2.55Sn-6.24Zr-1.23Nb-1.84Mo-0.19Si和10wt.%纯Ti粉构成）通过放电等离子烧结原位反应生成TiC及Ti5Si3增强相，从而能够提高复合材料的综合性能。具体步骤包括：
（1）利用雾化法制备90wt.%Ti合金粉和10wt.%纯Ti粉，得到基体粉；
（2）湿磨7vol.%SiCp增强体粉末；所使用的7vol.%SiCp增强体的颗粒粒径1μm，纯度大于99%，球磨机转速300±50r/min，湿磨时间24h；
（3）湿磨基体粉和增强体混合粉末；球磨机转速300±50r/min，湿磨时间48h；
（4）烘干；将复合粉料置于真空干燥箱，随干燥箱升温至60±5℃后保温12 h；
（5）干磨；球磨机转速300±50r/min，干磨时间8h；
（6）200目过筛；
（7）放电等离子烧结；升温速率100±5℃/min，烧结温度1350±10℃，烧结压力50±5MPa，保温时间10±1min，真空度3Pa以下；
（8）固溶时效；1000±10℃/3h/AC（空冷）+750±10℃/3h/AC（空冷）。
本实施例中在基体粉末中加入7vol.%SiCp粉末作为增强体，通过放电等离子烧结发生原为反应来制备高硬度耐高温的复合材料。
在本实施例中，加入7vol.% SiCp制备复合材料XRD图谱中α-Ti的衍射峰数量最多，衍射峰最高，表明7vol.% SiCp复合材料主要由α-Ti构成，而且还存在TiC及Ti5Si3的衍射峰（如图1）；复合材料的显气孔率，显微硬度分别为1.57%，724.56HV（如图3、4）；复合材料在750℃下氧化100h后氧化增重为1.7305 mg·cm-2（如附图5）；在750℃下氧化100h后复合材料氧化膜厚度约为16μm（如附图6）。
对比例一。
本对比例与实施例一的方法不同，本对比例采用的是氩气保护烧结（APS法）。其中包括的过程：利用雾化法制粉；在300 r/min转速下湿磨7vol.%SiCp增强体粉末；以相同的转速湿磨基体和增强体混合粉末；在真空干燥箱升温至60℃后保温12 h进行烘干；相同转速下干磨；200目过筛；在最大工作压力为25MPa的液压机进行坯体压制；在600℃ⅹ2h+900℃ⅹ1h+1200℃ⅹ1h+1400℃ⅹ4h工艺下的氩气保护烧结炉中进行；在1000℃/3h/AC+750℃/3h/AC温度下进行固溶时效。
本对比例中，复合材料的显气孔率为6.78%（如附图3），在750℃下氧化100h后复合材料氧化膜厚度为29μm（如附图6）。
将实施例一与本对比例相比，发现所采用的放电子等离子烧结和氩气保护烧结后，SPS复合材料的显气孔率比APS的显气孔率下降76.8%，SPS复合材料的氧化增重仅为APS工艺的26.2%，SPS工艺制备7vol.% SiCp的复合材料氧化膜厚度仅为APS工艺的64.1%，氧化膜厚度明显减小，表明采用SPS工艺制备的材料比采用APS工艺制备的材料具有更加优异的抗高温氧化性能。
对比例二。
本对比例与实施例一制备方法类同，不同之处在于不添加SiCp颗粒粉末。
本对比例中，基体合金的α-Ti的衍射峰数量最多，峰强最强，没有其他物相的衍射峰存在，表明合金主要由α-Ti构成（如图1）；基体合金的显气孔率以及显微硬度分别为1.26%，532.25HV（如图3、4）；在750℃下氧化100h的高温氧化，基体合金的氧化膜厚度约为24μm（如附图6）。
将对比例与实施例一进行对比，添加7vol.% SiCp颗粒粉末制备的钛基复合材料的显微硬度比基体材料提高了27%（724.56HV VS 532.25HV），750℃下氧化100h后的氧化层氧化膜厚度约为24μm，仅为基体合金的66.7%，说明添加7vol.% SiCp颗粒粉末制备的钛基复合材料具有明显的抗高温氧化性。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种高性能高温钛合金基复合材料的制备方法，其特征是由93 vol % 钛基体以及7vol.%SiCp作为增强体的供源体，通过湿磨增强体，加入基体湿磨，干磨，烘干，筛粉，放电等离子烧结工艺方法制备而成，所述的钛基体由90wt.%Ti合金粉Ti-6.01Al-2.55Sn-6.24Zr-1.23Nb-1.84Mo-0.19Si和10wt.%纯Ti粉构成；具体包括以下步骤：
（1）利用雾化法制备90wt.%Ti合金粉和10wt.%纯Ti粉，得到钛基体；
（2）湿磨7vol.%SiCp增强体粉末；球磨机转速300±50r/min，湿磨时间为24h；
（3）湿磨钛基体和增强体混合粉末；球磨机转速300±50r/min，湿磨时间48h；
（4）烘干；将复合粉料置于真空干燥箱，随干燥箱升温至60±5℃后保温12 h；
（5）干磨；球磨机转速300±50r/min，干磨时间8h；
（6）200目过筛；
（7）放电等离子烧结；升温速率100±5℃/min，烧结温度1350±10℃，烧结压力50±5MPa，保温时间10±1min，真空度3Pa以下；
（8）固溶时效；1000±10℃/3h/AC空冷+750±10℃/3h/AC空冷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的7vol.%SiCp增强体的颗粒粒径1μm，纯度大于99%。
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