CN113172224A - 一种钛基复合结构材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛基复合结构材料的制备方法，包括以下步骤：S1、粉末选择：选用低氧含量的钛或钛合金粉末；S2、喂料或造粒粉制备：将钛/钛合金粉末与含有发泡剂的粘结剂混合制备得到喂料或造粒粉；S3、成形：通过注射或压制将喂料或造粒粉成形得到坯体；S4、脱脂：通过脱脂获得多孔结构的脱脂坯；S5、烧结：在1000‑1300℃真空条件下对脱脂坯进行烧结得到多孔的钛体或者钛合金体；S6、将多孔的钛体或者钛合金体在450‑700℃左右融化的铝或铝合金液中浸润；S7、取出冷却后去除表面多余的铝或铝合金层，得到钛基渗铝或铝合金的复合结构材料。本发明将粉末注射成形和浸铝法相结合来获得耐腐蚀、耐高温、抗冲击韧性、生物兼容性高、轻质和高导热性优点的钛基渗铝或铝合金的复合结构材料。

Description

一种钛基复合结构材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种钛基复合结构材料的制备方法。
背景技术
随着现代科学技术的发展，特别是航天、航空、汽车等领域的发展，对材料的性能提出了更高的要求，其中轻量化、高强度设计在材料性能方面的要求越来越高。
作为一种轻质、高强、耐磨、耐蚀的稀有金属材料，钛合金被重点应用于航空航天领域和高耐蚀性的化工领域，例如飞机机身构件，飞机发动机部件等，但过高的成本限制了其大规模应用。铝合金具有轻质、导电及导热性好、价廉等优点，已在航空航天、船舶、交通运输等领域大量应用，但是高温和腐蚀环境中性能恶化，且抗冲击性能较差。大多数单一的金属及合金材料不能同时满足轻量化和高强度的设计要求。
近年来，钛铝异种金属复合材料制备的方法成为国内外研究热点，其中有爆炸焊接、铸造、复合轧制、等离子体烧结、焊接、超声波固结等方法，但是两者材料较大的热物理差异性增加了复合的难度，导致这些方法都有一定的局限性。比如复合轧制存在界面氧化问题；爆炸焊接操作危险，焊接接头缺陷较大；超声波固结只能复合厚度较小、强度较低的材料，铸造精度难以控制等局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种钛基复合结构材料的制备方法，该方法将粉末注射成型工艺和浸铝法相结合来获得耐腐蚀、耐高温、抗冲击韧性、生物兼容性高、轻质和高导热性优点的钛基渗铝或铝合金的复合结构材料。
实现本发明目的的技术方案是：本发明包括以下步骤：
S1、粉末选择：选用低氧含量的钛或钛合金粉末，中位粒径20-100μm，氧含量≤0.3％；
S2、喂料制备：将钛或钛合金粉末与含有发泡剂的粘结剂混合制备得到喂料；粘结剂选择聚甲醛、聚乙烯醇、石蜡、聚乙烯、聚丙烯中的一种或多种；发泡剂选择氯化铵或TiH2；
S3、成形：通过注射或压制将喂料成形得到坯体；
S4、脱脂：通过脱脂获得多孔结构的脱脂坯；
S5、烧结：在1000-1300℃真空条件下进行烧结得到多孔的钛体或者钛合金体；
S6、将多孔的钛体或者钛合金体在450-700℃左右融化的铝或铝合金液中浸润，使铝或铝合金液从表及里渗透到多孔的钛体或者钛合金体的孔洞中；
S7、取出冷却后去除表面多余的铝或铝合金层，得到钛基渗铝或铝合金的复合结构材料。
上述步骤S4中通过气氛脱脂，其中脱脂温度为100-800℃，脱脂气氛为氩气。
上述步骤S3中当选择通过注射成形时，技术参数为：模温40-120℃，料温110-200℃，注射压力50-200MPa；当选择通过压制成形时，技术参数为：压力15-300MPa，室温，保压时间1-3s。
上述发泡剂占钛或钛合金粉末重量的1-3％。
在铝或铝合金液中的浸润时长为0.5-30min。
渗透深度h(单位：mm)与发泡剂含量w(单位：wt％)、烧结温度T(单位：℃)以及浸润时长t(单位：min)有直接关系，其关系按照以下计算公式：h＝1100w*t/T。
本发明具有积极的效果：(1)本发明在粘结剂中加发泡剂与钛或钛合金粉末混炼，通过压制或注射成形，再脱脂烧结后制备得到海绵状多孔钛或钛合金。组织均匀细小，而且便于成形不同形状的零件、变形加工性能良好，有效解决了难于加工成形的问题。然后将钛/钛合金浸铝或铝合金液得到钛铝复合网状结构。
钛/铝复合网状结构材料兼具钛良好的耐腐蚀、耐高温、抗冲击韧性、生物兼容性高和铝轻质、高导热性等优点，通过“以铝节钛”降低钛用量，能够充分发挥两种材料的优势，拓展为一种轻质高强、高耐磨、高耐蚀的优质材料，同时大幅简化生产工艺、降低生产成本、提高生产效率和安全性，在航空航天、高端厨具等领域具有广泛的应用前景。通过调控孔隙率和浸铝的工艺参数，可以调整复合结构层的深度，并且复合界面化合物种类可控、连续，不易形成金属间化合物，界面连接强度高，从而灵活调控材料的密度和性能。并可以制备外表致密芯部多孔的复合结构，进而满足不同领域需要。
(2)本发明之所以选择低氧含量的钛或钛合金，是因为钛或钛合金与氧的亲和力较强，一旦氧化则很难被再次还原，氧化物与铝液的表面润湿性相对于钛合金和铝液要更差，不利于铝液的浸润和与基体的结合。因此需要选择低氧含量的钛或钛合金粉末。
(3)本发明通过调整发泡剂的含量和烧结温度来调整基体的空洞大小。发泡剂含量越高，则烧结后的孔隙率越高、孔径越大，越有利于铝液填充。烧结温度越低，则烧结后的孔隙率越高、孔径越大，越有利于铝液填充。铝液浸润时间越长，则通过毛细作用可以渗入到钛合金间隙的深度也越深。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明中纯钛脱脂后疏松多孔的显微形貌。
具体实施方式
(实施例1)
本发明包括以下步骤：
S1、选用低氧含量的纯钛，中位粒径25μm，氧含量0.15％；
S2、将钛粉末与带有发泡剂的粘结剂混合制备得到喂料；粘结剂选择聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯；发泡剂选择TiH2；其中聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、发泡剂分别占钛粉末重量的10％，2％，3％，2％；
S3、通过注射成形得到坯体；其中技术参数为：模温120℃，料温180℃，压力130MPa；
S4、通过气氛脱脂工艺进行脱脂，其技术参数为：脱脂温度为600℃，脱脂气氛为氩气；在脱脂过程中，粘结剂脱除，发泡剂使粉末进一步蓬松成为多孔结构(见图1)；
S5、在1100℃真空条件下进行烧结得到多孔的钛体；
S6、将多孔的钛体在660℃左右融化的铝液中浸润，使铝液从表及里渗透到钛体的孔洞中；铝液的浸润时长为1min；
S7、取出冷却后去除表面多余的铝层，得到钛基渗铝的复合结构材料。
(实施例2)
本发明包括以下步骤：
S1、选用低氧含量的TC4粉末，中位粒径50μm，氧含量≤0.2％；
S2、将TC4粉末与带有发泡剂的粘结剂混合制备得到造粒粉；粘结剂选择聚乙烯醇；发泡剂选择氯化铵；其中聚乙烯醇和氯化铵分别占TC4粉末重量的3％、2％；
S3、通过压制成形得到坯体，其中技术参数为：压力100MPa，室温，保压时间2s；
S4、通过气氛脱脂工艺进行脱脂，其技术参数为：脱脂温度为200℃，脱脂气氛为氩气；在脱脂过程中，粘结剂脱除，发泡剂使粉末进一步蓬松成为多孔结构；
S5、在1250℃真空条件下进行烧结得到多孔的钛合金体；
S6、将多孔的钛合金体在475℃左右融化的铝合金(Al-Zn-Mg-Cu)液中浸润，使铝合金液从表及里渗透到钛合金块体的孔洞中；在铝合金液内的浸润时长为2min；
S7、取出冷却后去除表面多余的铝/铝合金层，得到钛基渗铝/铝合金的复合结构材料。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种钛基复合结构材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、粉末选择：选用低氧含量的钛或钛合金粉末，中位粒径20-100μm，氧含量≤0.3％；
S2、喂料或造粒粉制备：将钛或钛合金粉末与含有发泡剂的粘结剂混合制备得到喂料或造粒粉；粘结剂选择聚甲醛、聚乙烯醇、石蜡、聚乙烯、聚丙烯中的一种或多种；发泡剂选择氯化铵或TiH2；
S3、成形：通过注射或压制将喂料或造粒粉成形得到坯体；
S4、脱脂：通过脱脂获得多孔结构的脱脂坯；
S5、烧结：在1000-1300℃真空条件下对脱脂坯进行烧结得到多孔的钛体或者钛合金体；
S6、将多孔的钛体或者钛合金体在450-700℃左右融化的铝或铝合金液中浸润，使铝或铝合金液从表及里渗透到多孔的钛体或者钛合金体的孔洞中；
S7、取出冷却后去除表面多余的铝或铝合金层，得到钛基渗铝或铝合金的复合结构材料。
2.根据权利要求1所述的一种钛基复合结构材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中通过气氛脱脂，其中脱脂温度为100-800℃，脱脂气氛为氩气。
3.根据权利要求1所述的一种钛基复合结构材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中当选择通过注射成形时，技术参数为：模温40-120℃，料温110-200℃，注射压力50-200MPa；
当选择通过压制成形时，技术参数为：压力15-300MPa，室温，保压时间1-3s。
4.根据权利要求1所述的一种钛基复合结构材料的制备方法，其特征在于：所述发泡剂占钛或钛合金粉末重量的1-3％。
5.根据权利要求1所述的一种钛基复合结构材料的制备方法，其特征在于：在铝或铝合金液中的浸润时长为0.5-30min。
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