CN110735064A - 固相原位反应生成耐高温高强度TiC增强钛基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种固相原位反应生成耐高温高强度TiC增强钛基复合材料及其制备方法，它由重量份为98.5～99.5的基体以及重量份为0.5～1.5%的碳纳米管（CNTs）组成，两者通过粉末冶金原位反应制备而成，所述的基体由90%TB8合金粉（Ti‑14.26Mo‑2.45Nb‑2.86A1‑0.18Si）和10%的纯Ti粉混合而成，所述的基体与碳纳米管在粉末冶金原位反应过程中生成TiC增强相。本发明的抗压强度和抗氧化性较TB8有明显的提升。

Description

固相原位反应生成耐高温高强度TiC增强钛基复合材料及其 制备方法

技术领域

本发明涉及钛基复合材料技术，尤其是一种TiC增强的钛基复合材料，具体地说是一种以CNTs为原材料通过粉末冶金原位反应生成TiC增强的钛基复合材料。

背景技术

钛基复合材料与其基体合金具有比强度高，比弹性模量高、耐高温等一系列特性，在航空寒天、武器装备领域具有广阔的应用前景和不可替代的作用。TiC钛基复合材料常用的增强体，目前主要采用外加法和液相原位制备TiC增强钛基复合材料。而外加法存在增强体与基体界面结合不理想的问题，液相原位反应法制备的复合材料常出现增强体团聚的问题，通过这两种方法制备的复合材料的性能通常不够理想。而采用固相原位反应生成的TiC增强钛基复合材料，由于通过原位反应生成增强体，与基体之间有良好的界面结合能力，能够和好的克服这些问题。TB8型钛基复合材料，由于具有Mo元素等，其具有高强度的同时，也具有良好的耐高温性能，但其那热性能通常不超过600℃，限制了其应用。碳纳米管（CNTs）具有高强度（高达-100 GPa）、高模量（约1 TPa）、大长径比（约1000）、轻量（约2 g/cm3）等特点，以CNTs为原料，与Ti通过原位生成的TiC有望继承CNTs的微结构特点和优异的性能。

到目前为止，尚未有一种具有自主知识产权的以CNTs和TB8为原料固相原位生成耐高温高强度TiC增强的钛基复合材料及其制备方法可供使用，这一定程度上制约了我国航空航天、武器装备等工业的发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有的钛基复合材料性能难以提高的问题，发明一种以CNTs和高强度耐高温TB8型钛合金为原料，粉末冶金高温原位反应生成TiC增强的钛基复合材料及其制备方法。

本发明的技术方案之一是：

一种固相原位反应生成耐高温高强度TiC增强钛基复合材料，其特征是，它由重量份为98.5～99.5的基体以及重量份为0.5～1.5%的碳纳米管（CNTs）组成，两者通过粉末冶金原位反应制备而成，所述的基体由90% TB8合金粉（Ti-14.26Mo-2.45Nb-2.86A1-0.18Si）和10% 的纯Ti粉混合而成，所述的基体与碳纳米管在粉末冶金原位反应过程中生成TiC增强相。

本发明的技术方案之二是：

一种固相原位反应生成耐高温高强度TiC增强钛基复合材料的制备方法，其特征是按照以下步骤进行：

（1）制备TB8合金粉末：通过雾化法将TB8钛合金棒料制备成原始钛合金粉末，过200目筛；

（2）机械湿磨混合粉末：先湿磨CNTs增强体，加入TB8型基体粉末和纯钛粉后继续湿磨，球料比8:1，湿磨介质为无水乙醇，球磨机转速为300±50 r/min；湿磨时间至少1小时；得到混合粉料；

（3）烘干：将复合粉料置于真空干燥箱，随干燥箱升温至70±5℃后保温12 h；得到含磨球的烘干粉末；

（4）干磨混合粉末，过筛：将含磨球的烘干粉末置于球磨机上进行干磨，转速为300 ±50r/min，干磨时间为7h，干磨结束后过200目筛；得到复合粉；

（5）冷压成型：将复合粉并放入模具中，使用液压机进行压制，压力为700 ±10MPa，保压至少30s；得到压制件；

（6）氩气保护烧结；将压制成型的压制件放在真空烧结炉中，抽真空至1×10^-1Pa，控制升温速率为5℃/min，在氩气保护的状态下进行600 ±10℃×2 h+900±10 ℃×2 h+1200±10 ℃×2 h+1400 ±10℃×4 h的烧结工艺，烧结结束后随炉冷却；得到烧结件；

（7）热处理：将烧结件进行850℃×3 h/AC（空冷） +550℃×6 h/AC（空冷）的热处理，即得到固相原位反应生成耐高温高强度TiC增强钛基复合材料。

本发明的有益效果是：

（1）本发朝通过添加CNTs粉末进行烧结之后制得的TiC/TB8钛基复合材料的抗压强度得到改善，其中添加1.0 wt.% CNTs的TiC/TB8钛基复合材料的抗压强度最好，达到1264MPa比TB8合金(1038MPa)提高了21.77%。

（2）添加CNTs粉末进行烧结之后制得的TiC/TB8钛基复合材料的抗氧化性得到改善，其中添加1.0 wt.% CNTs的TiC/TB8钛基复合材料的抗氧化性最好，其氧化100 h后的氧化质量增益为2.21mg/cm²,与TB8合金材料（6.03mg/cm²）相比减少了63.3%，氧化层的厚度为28μm，与TB8合金材料（50 μm）相比减少了44.0%。

附图说明

图1是本发明烧结后基体TB8型合金、TB8型+0.5 wt.% CNTs、TB8型+1.0 wt.%CNTs和TB8型+1.5 wt.% CNTs的SEM图；(a)为基体TB8型合金烧结块;(b)为TB8型+0.5 wt.%CNTs烧结块;(c)为TB8型+1.0 wt.% CNT烧结块;(d)为TB8型+1.5 wt.% CNTs烧结块;；

图2是本发明烧结后基体TB8型合金、TB8型+0.5 wt.% CNTs、TB8型+1.0 wt.% CNTs和TB8型+1.5 wt.% CNTs的XRD图；

图3是本发明基体TB8型合金、TB8型+0.5 wt.% CNTs、TB8型+1.0 wt.% CNTs和TB8型+1.5 wt.% CNTs的钛基复合材料750℃氧化100 h后横截面的SEM图和线扫图;(a)为基体TB8型;(b)为TB8型+0.5 wt.% CNTs;(c)为TB8型+1.0 wt.% CNT;(d)为TB8型+1.5 wt.% CNTs；

图4是本发明基体TB8型合金、TB8型+0.5 wt.% CNTs、TB8型+1.0 wt.% CNTs和TB8型+1.5 wt.% CNTs的钛基复合材料750℃氧化0~100 h的氧化动力学曲线；

图5是本发明基体TB8型合金、TB8型+0.5 wt.% CNTs、TB8型+1.0 wt.% CNTs和TB8型+1.5 wt.% CNTs的钛基复合材料钛基复合材料的抗压强度图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明不仅限于实施例。

实施例一。

如图1-5所示

一种固相原位反应生成耐高温高强度TiC增强钛基复合材料（0.5wt.% CNTs）通过以下方法制备而成：

（1）球磨混粉：按成份先配制Ti-14.26Mo-2.45Nb-2.86A1-0.18Si（TB8型）混合粉末。首先在球磨罐中加入0.5wt.% CNTs湿磨一段时间；然后加入剩余99.5 wt%基体粉末（90%的TB8合金粉+10%的纯钛粉）进行混合湿磨（湿磨介质为无水乙醇，球料比8:1，300±50 r/min；湿磨时间至少1小时）；湿磨结束后将液体粉料置于真空干燥箱中烘干（70±5℃×12h）；随后将烘干的粉末进行干磨（300±50r/min）；干磨结束后将粉料置于真空干燥箱保温（80±5℃×8h）后，过200目筛，得到均匀细化的混合粉料。

（2）粉料冷压成型：取一定量（1）中制备的粉料，放入模具，使用液压机进行压制（工作压力700±10MPa），保压30s以上，得到所需压块。

（3）氩气保护烧结：将（2）制备的压块放入真空烧结炉中，先将炉内抽真空至1×10^-1Pa，确保真空度达到要求且保持稳定后通以流动氩气开始烧结；设置升温速率为5℃/min，炉温呈阶梯式上升，先预烧至600±10℃保温2h，然后升温至900±10℃保温1h，再升温至1200±10℃保温1h，最后升温至1400±10℃并保温4h，烧结结束后随炉冷却，整个烧结过程完毕。

（4）热处理：将将（3）制备的烧结块进行850±10℃×3 h/AC（空冷）+550±10℃×6h/AC（空冷）的热处理工艺；即获得一种耐高温高强度TiC增强的钛基复合材料。

本实施例的添加0.5 wt.%CNTs原位生成TiC增强钛基复合材料的抗压强度为1074MPa，（如图5所示）其氧化100 h后的氧化质量增益为3.83mg/cm²（如图4所示），氧化层的厚度为28 μm（如图3所示）。

实施例二。

如图1-5所示

一种固相原位反应生成耐高温高强度TiC增强钛基复合材料（1.0 wt.% CNTs），由以下方法制备而成：

本实施例与实施例一类同，不同之处在于将CNTs粉的质量分数由0.5%提高至1.0%，相应地基体合金质量分数由99.5%降低至99.0%。

本实施例的添加1.0 wt.%CNTs原位生成TiC增强钛基复合材料的抗压强度为1264MPa（如图5所示），其氧化100 h后的氧化质量增益为2.21 mg/cm²（如图4所示），氧化层的厚度为15 μm（如图3所示）。

实施例三。

如图1-5所示

一种耐高温高强度钛基复合材料添加1.5 wt.% CNTs原位生成TiC增强钛基复合材料的制备方法：

本实施例与实施例二类同，不同之处在于将CNTs粉的质量分数由1.0 %提高至1.5 %，相应地基体合金质量分数由99.0%降低至98.5%

本实施例的添加1.0 wt.%CNTs原位生成TiC增强钛基复合材料的抗压强度为1050MPa（如图5所示），其氧化100 h后的氧化质量增益为2.73 mg/cm²（如图4所示），氧化层的厚度为24 μm（如图3所示）。

对比例。

TB8型合金的制备方法

本对比例与实施例一类同，不同之处在于将CNTs粉的质量分数由0.5 %降低至0.0 %，相应地基体合金质量分数由99.5%增加至100 %

本对比例的TB8型合金的抗压强度为1038MPa（如图5所示），其氧化100 h后的氧化质量增益为6.03 mg/cm²（如图4所示），氧化层的厚度为50 μm（如图3所示）。

将三个实施例与对比例对比发现，添加CNTs粉末进行烧结之后制得的TiC增强TB8型钛基复合材料的抗压强度和抗氧化性比TB8好，其中1.0 wt.% CNTs的TiC/TB8钛基复合材料的抗压强度最好，达到1264MPa比TB8合金(1038MPa)提高了21.7%（如图5所示）；其氧化100 h后的氧化质量增益为2.21mg/cm²,与TB8合金材料（6.03mg/cm²）相比减少了63.3%（如图4所示），氧化层的厚度为28 μm，与TB8合金材料（50μm）相比减少了44.0%（如图3所示）。

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)

1.一种固相原位反应生成耐高温高强度TiC增强钛基复合材料，其特征是，它由重量份为98.5～99.5的基体以及重量份为0.5～1.5%的碳纳米管（CNTs）组成，两者通过粉末冶金原位反应制备而成，所述的基体由90% TB8合金粉（Ti-14.26Mo-2.45Nb-2.86A1-0.18Si）和10% 的纯Ti粉混合而成，所述的基体与碳纳米管在粉末冶金原位反应过程中生成TiC增强相。

2.一种权利要求1所述的固相原位反应生成耐高温高强度TiC增强钛基复合材料的制备方法，其特征是按照以下步骤进行：

（1）制备TB8合金粉末：通过雾化法将TB8钛合金棒料制备成原始钛合金粉末，过200目筛；

（2）机械湿磨混合粉末：先湿磨CNTs增强体，加入TB8型基体粉末和纯钛粉后继续湿磨，球料比8:1，湿磨介质为无水乙醇，球磨机转速为300±50 r/min；湿磨时间至少1小时；得到混合粉料；

（3）烘干：将复合粉料置于真空干燥箱，随干燥箱升温至70±5℃后保温12 h；得到含磨球的烘干粉末；

（4）干磨混合粉末，过筛：将含磨球的烘干粉末置于球磨机上进行干磨，转速为300 ±50r/min，干磨时间为7h，干磨结束后过200目筛；得到复合粉；

（5）冷压成型：将复合粉并放入模具中，使用液压机进行压制，压力为700 ±10MPa，保压至少30s；得到压制件；

（6）氩气保护烧结；将压制成型的压制件放在真空烧结炉中，抽真空至1×10^-1Pa，控制升温速率为5℃/min，在氩气保护的状态下进行600 ±10℃×2 h+900±10 ℃×2 h+1200±10 ℃×2 h+1400 ±10℃×4 h的烧结工艺，烧结结束后随炉冷却；得到烧结件；

（7）热处理：将烧结件进行850℃×3 h/AC（空冷） +550℃×6 h/AC（空冷）的热处理，即得到固相原位反应生成耐高温高强度TiC增强钛基复合材料。

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