CN111659887A - 一种细化TiC颗粒增强钛基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种细化TiC颗粒增强钛基复合材料的制备方法，为解决碳纳米管增强钛基复合材料中随着MWCNTs含量的增加，TiC增强相的比例和晶粒尺寸均增大，造成复合材料力学性能提高不明显等问题，采用后续退火工艺使晶粒细化、碳固溶强化以及TiC粒子和残余MWCNTs的弥散强化，进一步提高复合材料硬度、耐磨性及屈服强度；具体方法为：1.碳纳米管纯化；2.按照一定比例将钛粉与纯化碳纳米管机械球磨，使用无水乙醇为球磨介质，球磨一定时间后取出并真空干燥、过筛；3.利用低温快速放电等离子烧结技术制备复合材料；4.退火处理。本发明方法制备的复合材料TiC增强体晶粒细小、界面结合强度高并且综合力学性能优异。

Description

一种细化TiC颗粒增强钛基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于碳纳米管增强钛基复合材料技术领域，具体涉及原位合成TiC增强钛基复合材料及退火后提高力学性能的方法。
背景技术
钛基复合材料是近年来发展较快的一种复合材料。一般而言，与相应的钛合金相比其具有更高的比强度、比刚度、耐磨性、热稳定性和高温耐久性。其中原位合成法是通过添加元素与基体发生化学反应在基体中原位合成增强相，其优势在于基体与增强体结合牢固、污染小、易于加工、成本低等优点。碳纳米管因其低密度、高杨氏模量、良好导电性及导热性成为原位合成TiC颗粒的理想碳源。已有大量的研究表明复合材料硬度和耐磨性随着碳纳米管含量的增大而提高，但由于过量的碳纳米管会造成TiC晶粒粗大，且颗粒状TiC转变成树枝晶形貌，降低碳纳米管增强钛基复合材料力学性能。
因此，在增加碳纳米管含量的前提下，后续进一步处理细化TiC晶粒成为其应用中亟待解决的难题。
目前报道的碳纳米管增强钛基复合材料中后续处理工艺包括热轧、锻造，热轧和锻造存在形变量不易控制及组织不均匀等问题。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是：提供一种细化TiC颗粒增强钛基复合材料的制备方法，通过细化TiC晶粒、促使组织均匀化，提高复合材料的力学性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种细化TiC颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，制备步骤为：
步骤一、碳纳米管除杂、酸洗；
步骤二、按照一定比例将纯钛粉与纯化碳纳米管机械球磨，使用无水乙醇为球磨介质，球磨一定时间后取出并真空干燥、过筛；
步骤三、将步骤二获得的粉体放置石墨模具中进行低温快速放电等离子烧结（SPS）,得到碳纳米管增强钛基复合材料。
步骤四、将步骤三获得的复合材料切成薄片置于真空管式炉中退火处理。
进一步限定，步骤一中碳纳米管为多壁碳纳米管，长度50～60nm。
进一步限定，步骤一中碳纳米管在300～400℃下保温1h除去表面不定形碳，后将碳纳米管浓硝酸放入水热反应釜至于干燥箱中，于100～180℃下反应1h；表面粗化同时引入羟基、羰基、羧基等官能团。
进一步限定，步骤二中纯钛粉粒径尺寸为300目，机械球磨为行星式球磨罐中进行，球料比为1:5，转速为200～400r/min,球磨时间4～6h。
进一步限定，步骤二中在60℃下真空干燥10h。
进一步限定，步骤三中升温速率为100℃/min,烧结温度为850～1000℃，压力为30～60MPa,保温时间为5～10min。
进一步限定，步骤四中真空管式炉退火处理的升温速率为5℃/min，保温1h，随后炉冷，整个过程通氩气保护。
本发明的有益效果是：1、本发明采用原位合成技术生成TiC增强相，原位技术是制备不连续增强钛基复合材料的一种经济有效方法。2、通过机械球磨混粉工艺获得复合粉体，最佳的球磨工艺参数不仅保持了球磨过程中碳纳米管的完整性，同时粉体混合均匀。3、本发明酸化过程将碳纳米管与浓硝酸置于反应釜中在150℃中反应1h,酸化后碳纳米管成功引入羟基、羰基、羧基等官能团，增强了碳纳米管与钛基体的润湿性。4、本发明选用放电等离子烧结技术，该技术具有升温速率快，烧结时间短，外加压力可控等优势。快速升温可有效控制原位合成过程，外加压力可提高复合材料致密度。5、本发明选用真空管式炉对复合材料退火处理，管式炉温度场均匀，复合材料受热均匀，能有效细化晶粒，进一步提高材料力学性能。
附图说明
图1：碳纳米管酸化后SEM图；
图2：实施例1中球磨后粉体SEM图；
图3：实施例1、2中摩擦系数及磨损体积对比图；
图4：实施例2中硬度对比较图；
图5：实施例1和2中金相组织对比图；
图6：实施例2中TiC颗粒分布示意图。
具体实施方式
实施例1：本实施例中一种细化TiC颗粒增强钛基复合材料的方法是按下述步骤进行的：
步骤一、将1g碳纳米管在300℃下保温1h,冷却至室温后取出，加入30ml浓硝酸置于水热反应釜中，于150℃反应1h冷却至室温取出、洗涤至中性，在真空干燥箱80℃下干燥6h。
步骤二、按重量比Ti:CNTs=98.5:1.5配粉40g加入球墨罐中，球料比1:5，转速300r/min,加入30ml无水乙醇作为球磨介质球磨4h,之后使用60℃的真空干燥箱干燥10h,之后用200目的筛子过筛。
步骤三、将步骤二中得到的复合粉体装入φ20×12的石墨模具中，在升温速率为100℃/min,烧结温度为950℃，压力为30MPa,保温时间为8min，得到碳纳米管增强钛基复合材料。
步骤四、将步骤三获得的复合材料切成Φ15*3mm的薄片，用真空管式炉在850℃退火处理1h,升温速率为5℃/min，随后炉冷至室温。
实施例2：本实施例中一种细化TiC颗粒增强钛基复合材料的方法是按下述步骤进行的：
步骤一、将1g碳纳米管在,400℃下保温1h,冷却至室温后取出，加入40ml浓硝酸置于水热反应釜中，于180℃反应1h冷却至室温取出、洗涤至中性，在真空干燥箱80℃下干燥6h。
步骤二、按重量比Ti:CNTs=98.5:1.5配粉40g加入球墨罐中，球料比1：5，转速200r/min,加入30ml无水乙醇作为球磨介质球磨6h,之后使用60℃的真空干燥箱干燥10h,之后用200目的筛子过筛。
步骤三、将步骤二中得到的复合粉体装入φ20×12的石墨模具中，在升温速率为100℃/min,烧结温度为950℃，压力为30MPa,保温时间为8min，得到碳纳米管增强钛基复合材料。
步骤四、将步骤三获得的复合材料切成Φ15*3mm的薄片，用真空管式炉在950℃退火处理1h,升温速率为5℃/min，随后炉冷至室温。
图1为碳纳米管纯化后SEM图，纯化后碳纳米管表面不定形碳较少。
图2为实施例1中球磨后粉体SEM图。
图3为实施例1、2中摩擦系数及磨损体积对比图，摩擦系数达到0.2～0.3,磨损体积为0.3mm3。
图4退火处理后的硬度对比图，此方法制备高性能的钛基复合材料，显微硬度高达725HV。
图5为实施例1和2中金相组织对比图，左侧为实施例1金相组织图，右侧为实施例2的金相组织图。实施例1中TiC颗粒较粗大，实施例2中明显细小且分散均匀。
图6为实施例2中TiC颗粒分布示意图，采用950℃退火处理。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (6)

1.一种细化TiC颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，制备步骤为：
步骤一、碳纳米管除杂、酸洗；
步骤二、按照一定比例将纯钛粉与纯化碳纳米管机械球磨，使用无水乙醇为球磨介质，球磨一定时间后取出并真空干燥、过筛；
步骤三、将步骤二获得的粉体放置石墨模具中进行低温快速放电等离子烧结,得到碳纳米管增强钛基复合材料；
步骤四、将步骤三获得的复合材料切成薄片置于真空管式炉中退火处理。
2.根据权利要求1所述的一种细化TiC颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的碳纳米管为多壁碳纳米管，长度50～60nm。
3.根据权利要求1所述的一种细化TiC颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的碳纳米管，在300～400℃下保温1h除去表面不定形碳，后将1g碳纳米管与20～40ml浓硝酸放入水热反应釜至于干燥箱中，于100～180℃下反应1h。
4.根据权利要求1所述的一种细化TiC颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中纯钛粉粒径尺寸为300目，机械球磨为行星式球磨罐中进行，球料比为1:5，转速为200～400r/min,球磨时间4～6h。
5.根据权利要求1所述的一种细化TiC颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中升温速率为100℃/min,烧结温度为850～1000℃，压力为30～60MPa,保温时间为5～10min。
6.根据权利要求1所述的一种细化TiC颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤四中真空管式炉退火处理的升温速率为5℃/min，保温1h，随后炉冷，整个过程通氩气保护。
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