CN112063869A - 一种氢辅粉末冶金钛基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种氢辅粉末冶金硼化钛（TiB）增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将原料（钛粉或氢化钛粉、合金粉、含硼粉）混合并压制形成坯料；（2）将步骤（1）所得坯料真空烧结；（3）氢化并球磨步骤（2）所得坯料形成含氢预合金粉，压制形成坯料；（4）将步骤（3）所得坯料再次真空烧结，得到致密度高且增强相均匀分布的钛基复合材料。第一次烧结后坯料孔隙率高，增强相与合金元素在基体中分布不均匀且存在未完全反应残余硼化物相和中间相;将其氢化球磨。氢化处理使钛合金基体转化为低强度脆性材料，易球磨形成预合金氢化粉末。球磨工序使预合金粉充分混合增强了最终产品的均匀性。

Description

一种氢辅粉末冶金钛基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种氢辅粉末冶金钛基复合材料的制备方法。
背景技术
陶瓷增强钛基复合材料显著提高了钛合金硬度和耐磨性，得到了广泛的研究和发展。原位生成硼化钛（TiB）因杨氏模量高、热膨胀系数和密度与钛基体类似且冶金结合界面良好，被认为是最具发展潜力的钛合金材料增强相之一。
传统铸造工艺（IM）通过高温熔融结晶反应在钛基体中生成TiB相，通常需要轧制、挤压等二次热加工来改善铸态缺陷并细化复合材料组织。TiB相增强钛和钛合金基复合材料也可以采用粉末技术制备。预合金化（PA）粉末冶金工艺是一种较为复杂的方法，它通常包括熔化原料和生产所需成分的熔体、用惰性气体雾化熔体以获得快速冷却的预合金粉末，通过热加工操作将预合金粉末压制到坯料中并烧结，以获得理想的显微组织。然而如何限制TiB生成相在过共析反应中粗化生长成为限制IM/PA工艺的主要障碍。混合元素粉末冶金法（BEPM）由于不包含熔化工序可大幅降低生产成本。该工艺采用钛粉或氢化钛（TiH2）粉、合金粉与硼化物粉（如TiB2、B4C、B）经混粉后高温烧结生成以原位生成TiB为增强相的钛或钛合金基复合材料。然而，压制-烧结BEPM工艺通常会导致烧结态孔隙率过大，因此需要引入复杂的热变形工艺来致密化结构，以满足应用要求。使用BEPM工艺制备TiB增强复合材料的其他缺点包含初始含硼粉末没有完全转变为TiB相，生产的复合材料微观组织均匀性差。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种钛和钛合金基TiB增强复合材料的氢辅粉末冶金制备方法。
本发明所采取的技术方案如下：一种氢辅粉末冶金钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将原料混粉并压制形成坯料，其中原料包含钛粉或氢化钛粉与硼或含硼化合物粉末；
（2）将步骤（1）得到的坯料进行第一次真空烧结，冷却至室温；
（3）氢化并球磨步骤（2）得到的烧结坯料生成预合金粉，压制形成坯料；
（4）将步骤（3）得到的坯料进行第二次真空烧结，得到钛基复合材料。
初始含硼粉末可以为TiB2，B，B4C等。
步骤（3）中，氢化并球磨具体为将第一次真空烧结得到的工件在氢气氛围保护炉进行还原反应，然后球磨得到预合金粉。
步骤（1）中，原料还包括合金粉末（金属或中间合金），以实现与所生产的钛合金基体的理论成分相对应的粉末混合物的成分构成。本发明的合金粉末含有用于制造钛合金基体的元素，其可以是金属粉末（如矾、钼、铁、铌、钽等）和中间合金（如铝矾、铝矾铁、铝矾钼铬等）的一种或多种复合。
本发明的有益效果如下：第一次烧结后，工件孔隙率高，TiB增强相在基体中分布不均匀且存在未完全转化的起始硼化物粉末颗粒和中间Ti-B相。此外，烧结后钛合金基体的微观结构不均匀，特别是在初始混合粉末中加入在钛中降低扩散率的合金元素（钼、钽、铌等）中时。把在第一次烧结过程中形成的不充分均匀且致密度低的工件氢化。氢化使得钛基基体形成脆性低强度的氢化钛TiHX相，使其易于在球磨时破碎成预合金化的氢化粉末。球磨工序同时使不均匀的预合金粉末得到充分混合，因此可进一步提高粉末压块的均匀性，最终在第二次烧结阶段获得完全均匀的产品。
在起始粉末（若使用氢化钛）和氢化预合金粉末中存在的氢，在烧结阶段和材料净化过程中也提供了极其重要的烧结活化作用。真空烧结过程中，钛或钛合金基体中放出氢，发生TiHX变Ti的相变伴随着剧烈的体积变化，从而增加了脱氢材料中形成的晶格缺陷密度。脱氢过程中形成的高度晶体缺陷的粉末使得致密化得到改善，这通常在第一次烧结阶段是不明显的，但在第二次烧结阶段促进了理想的近全致密产品的形成。同时，从该材料中释放出的高活性原子氢可以清洁粉末，降低所生产的钛合金基复合材料中的杂质含量（氧、碳、氮）。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为实施例1第一次烧结后材料微观结构的光学显微镜图，（a）、（b）分别为不同倍率下的图像；
图2为实施例1第二次烧结后复合材料微观结构的光学显微镜图（c）、（d）；
图3为实施例2第一次烧结后材料微观结构的光学显微镜图；
图4为实施例2第二次烧结后复合材料微观结构的光学显微镜图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1：
将TiH2粉末与6wt%TiB2混粉6小时形成与Ti-10vol.% TiB复合材料相对应的混合粉末。将混合粉末以600MPa模压成形，1250℃真空烧结并保温4小时，炉冷后真空加热至600℃通入氢气进行氢化并球磨得到含氢预合金粉，再以600MPa模压成形，真空烧结1250℃，保温4小时，最终得到成分均匀、孔隙率低的Ti-10vol.%TiB复合材料。
如图1所示，第一次烧结后，材料孔隙明显，硼化物增强相在基体中的分布不均匀。此外，粗大的TiB2初始粉末颗粒并未完全反应生成TiB。如图2所示，经过氢化、球磨和再次烧结后，粗大的TiB2初始粉末颗粒已完全消失，TiB增强相均匀分布于近致密的钛基体中。表1为两次烧结后材料的性能，可以看出第一次烧结后的工件孔隙率高，经过氢化、球磨、再次烧结后，孔隙率大大降低，致密度高且硬度明显增强。
Figure 665197DEST_PATH_IMAGE001
实施例2：
将TiH2粉末，10wt%6Al4V中间合金粉末以及6wt%TiB2粉混粉6小时形成与Ti6Al4V-5vol.% TiB复合材料相对应的混合粉末。将混合粉末以600MPa模压成形，真空烧结1250℃，保温4小时。将烧结产物经氢化和球磨得到预合金化（Ti-Al-V-TiB）氢化粉末，然后在600MPa下模压成型，1250℃真空烧结4小时，最终得到成分均匀、孔隙率低的Ti6Al4V-5vol.%TiB复合材料。
如图3所示，第一次烧结后，粗大的TiBX增强相颗粒在孔隙率很高的基体中不均匀分布。如图4所示，经过氢化、球磨、第二次烧结后，TiB增强相得到细化并均匀分布在近致密的Ti6Al4V基体中。表2为两次烧结后材料的性能，可以看出第一次烧结后的工件孔隙率高，经过氢化、球磨、再次烧结后，孔隙率大大降低，致密度高且硬度明显增强。
Figure 778515DEST_PATH_IMAGE002
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种氢辅粉末冶金钛基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将原料混合并压制形成坯料，其中原料包含钛粉或氢化钛粉与硼或含硼化合物粉末；
（2）将步骤（1）得到的坯料进行第一次真空烧结，冷却至室温；
（3）氢化并球磨得到预合金粉，压制形成坯料；
（4）将步骤（3）得到的坯料进行第二次真空烧结，得到钛基复合材料。
2.根据权利要求1所述的氢辅粉末冶金钛基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，氢化并球磨具体为将第一次真空烧结得到的工件在氢气氛围保护炉进行还原反应，然后球磨得到预合金粉。
3.根据权利要求1所述的氢辅粉末冶金钛基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，原料包含合金粉末。
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