CN114058983A

CN114058983A - 一种颗粒增强钛基复合材料及其制备工艺

Info

Publication number: CN114058983A
Application number: CN202111435267.XA
Authority: CN
Inventors: 崔雪飞; 骆雨萌; 魏衍广; 陶海明; 罗峥
Original assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2022-02-18

Abstract

一种颗粒增强钛基复合材料及其制备工艺，所述颗粒增强钛基复合材料是一种通式为TiB_xC_y的钛合金，其中x:0.3wt％～0.5wt％；y:0.5wt％～0.7wt％；Fe：<0.30wt％；N:<0.04wt％；H:<0.015wt％；O:<0.15wt％；余量为钛。由于其具有高比强度、比刚度、较好的耐热性和抗蠕变性能，在航空、航天、汽车、石化和生物医学等领域具有广阔的应用潜力。

Description

一种颗粒增强钛基复合材料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种颗粒增强钛基复合材料，特别是一种通式为TiB_xC_y的颗粒增强钛基复合材料及其制备工艺。

背景技术

钛合金具有密度小、比强度高以及耐腐蚀性能好等优良特性，其在高性能结构件方面得到广泛应用。但由于钛合金的耐磨性及高温力学性能较差，无法满足迅速发展的航空航天、电子及汽车制造等高新技术领域的需要。因此，为了满足航空航天武器装备轻量化及耐高温要求，在纯钛或钛合金基体中加入高强度的陶瓷增强相来制备钛基复合材料(TMCs)，以提高其综合性能。国内外研究表明，通过在钛基体中添加相应的增强相制备钛基复合材料(TMCs)已成为钛合金的一种发展趋势。TMCs分为连续纤维增强钛基复合材料(FTMCs)和颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)两大类。FTMCs材料沿纤维方向具有高的断裂韧性和蠕变强度，可以承受较大载荷，但由于其制备复杂、制造成本较高等诸多因素，仅将此类TMCs材料应用于航空航天领域。

PTMCs材料不仅具有与金属基复合材料相同的特性，如高的比强度、比刚度以及中等温度下的耐热性、抗蠕变性能等，而且还具有各向同性、加工方法简单、制造成本低等诸多优点。

发明内容

本发明提供一种通式为TiB_xC_y的颗粒增强钛基复合材料，与纯钛基体相比，其具有较高的强化特性以及良好的冷热加工性能。

首先，本发明提供一种通式为TiB_xC_y的颗粒增强钛基复合材料，其中x:0.3wt％～0.5wt％；y:0.5wt％～0.7wt％；Fe：<0.30wt％；N:<0.04wt％；H:<0.015wt％；O:<0.15wt％；余量为钛。

优选的，所述颗粒增强钛基复合材料中，B:0.45；C:0.54；Fe:0.028；N:0.022；H:0.002；O:0.10；余量为钛。

优选的，所述颗粒增强钛基复合材料中，B:0.31；C:0.68；Fe:0.027；N:0.021；H:0.002；O:0.10；余量为钛。

同时，本发明还提供上述颗粒增强钛基复合材料的制备工艺，其包括如下步骤：

①按以下比例配料：B:0.3wt％～0.5wt％；C:0.5wt％～0.7wt％；Fe：<0.30wt％；N:<0.04wt％；H:<0.015wt％；O:<0.15wt％；余量为钛；

②将配料压制成电极；

③经3次熔炼获得直径Φ190～500mm铸锭；

④经1100℃三次镦拔，获得120×120mm尺寸的方坯；

⑤在900℃棒材经一火锻至Φ10～100mm的棒材；

⑥经550～650℃保温1～3h，空冷至室温。

基于国内外对颗粒增强钛基复合材料增强相的研究结果，TiC呈细小等轴状和略微粗大椭球状，TiB呈短纤维状；TiB的强化效应优于TiB，TiC+TiB混合增强相的强化效果高于单一TiC或TiB相对基体的强化效果，且随着增强相含量的提高而增强。然而当增强相总质量分数达到1％以上时，增强相对纯钛基体的强化效应明显减弱，并造成材料塑性性能指标的下降，考虑到强度和塑性性能间的匹配，本发明制定了上述成分配比。因为增强体合成时引入的缺陷、增强体的团聚、弱界面结合、粗大增强相颗粒以及杂质元素在界面上的偏聚等会造成材料的韧性和塑性均有不同程度的下降。因此，后续进一步的变形加工对细化基体组织，消除钛基复合材料的缺陷，提高材料的致密性和综合性能具有重要意义。本发明通过在较高温度(相变点以上)开坯锻造，使得材料可以获得充分变形，晶粒充分细化；再通过在相变点附近或之下锻造，不但抑制了晶粒的粗化，还可以获得所需不同尺寸的棒材或锻件。通过较低温度的去应力退火，进一步消除棒材或锻件中的应力集中，改善材料强塑匹配性能水平。

与已有的纯钛TA2和相同类型TMC1、TMC2、TMC3及TMC4钛基复合材料相比较，本发明的颗粒增强钛基复合材料，其抗拉强度较TA2提高了近60％以上；与TMC1、TMC2和TMC3钛基复合材料相比，本发明合金的抗拉强度高出84～170MPa。与高增强体添加含量的TMC4合金相比，强度相当，塑性性能更好。同时本发明的颗粒增强钛基复合材料具有更为优异的高温性能。

本发明的颗粒增强钛基复合材料，其主要力学性能指标为：25℃抗拉强度≥660MPa，25℃屈服强度≥620MPa，25℃断后伸长率≥16％，300℃高温抗拉强度≥390MPa，300℃高温屈服强度≥260MPa，弹性模量E≥115GPa。

附图说明

图1是本发明颗粒增强钛基复合材料的金相组织图；

图2是现有技术中TMC3合金的金相显微组织图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不局限于说明书上的内容。

实施例1合金的室温力学性能比较

按如下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：B:0.45；C:0.54；Fe:0.028；N:0.022；H:0.002；O:0.10；余量为钛。将配料压制成电极，在真空自耗电炉经三次熔炼得到铸锭Φ200mm，于1100℃进行三次镦拔，120×120mm的方坯；再于900℃经一火锻造制成Φ40mm棒材，经600℃保温2h，空冷至室温，得样品1。

比较样品2选自GB/T2965-2016《钛及钛合金棒材》TA2力学性能中数据。

比较样品3、4、5、6分别选自徐欢等著《原位自生TiC与TiB增强钛基复合材料的组织和力学性能》(机械工程材料，2020(1)，62-73页)中的TMC1(5V％TiC、0V％TiB)、TMC2(0V％TiC、5V％TiB)、TMC3(2.5V％TiC、2.5V％TiB)及TMC4(5V％TiC、5V％TiB)。TMC1合金只添加TiC作为增强体，TMC2合金只添加TiB作为增强体，TMC3合金与本发明合金相近，TMC4合金添加增强体含量较多。

上述样品的室温力学性能数据，如表1所示。

表1

从表1中可以看出，样品1(颗粒增强钛基复合材料TiB_0.45C_0.54)的抗拉强度比比较样品2(TA2合金)高出330MPa，抗拉强度提升比例达到75％，屈服强度高出341MPa，屈服强度提升比例达到100％以上，塑性性能指标则保持相当水平，本发明较大幅度提高了纯钛的力学性能。和比较样品3、4、5性能数据对比，抗拉强度和屈服强度分别提高84～170MPa和59～176MPa，塑性性能(断后伸长率指标)优于比较样品3、4，相较比较样品5则有一定程度下降。对比比较样品6，本发明合金在强度指标方面与之相当，塑性性能明显更为优异，尤其是比较样品6添加了比本发明更多的增强体。综合性能对比显示，TiC+TiB混合增强相的强化效果高于单一TiC或TiB相对基体的强化效果，然而当增强相总质量分数达到1％以上(比较样品6)时，增强相对纯钛基体的强化效应减弱，并造成材料塑性性能指标的下降。因此样品1(即本发明合金)具有高的强度性能水平，同时具有较好的塑性性能，强塑性能匹配良好，与比较样品2相比，弹性模量有所提高，更适合作为各类型结构件使用。表明在本发明规定合金元素添加范围内及采用本发明制备工艺制备的上述颗粒增强钛基复合材料，合金强度提升明显，强度和塑性性能匹配良好。

实施例2合金的室温力学性能比较

按如下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：B:0.31；C:0.68；Fe:0.027；N:0.021；H:0.002；O:0.10；余量为钛。将配料压制成电极，在真空自耗电炉经三次熔炼得到铸锭Φ200mm，于1100℃进行三次镦拔，120×120mm的方坯；再于900℃经一火锻造制成Φ40mm棒材，经600℃保温2h，空冷至室温，得样品2。

上述样品的室温力学性能数据，如表2所示。

表2

从表2中可以看出，样品2(颗粒增强钛基复合材料TiB_0.31C_0.68)的抗拉强度比比较样品2(TA2合金)高出223MPa，抗拉强度提升比例达到51％，屈服强度高出319MPa，屈服强度提升比例达到100％，塑性性能指标则保持相当水平。和比较样品3、4性能数据相比，本发明合金强度指标和塑性性能指标更为优越，尤其是屈服强度，高出约140MPa。和比较样品5性能数据相比，抗拉强度、屈服强度和断后伸长率指标基本相当。和比较样品6性能数据相比，抗拉强度有一定程度的下降，而塑性性能指标则明显提高，比较样品6强度高的原因主要是由于增强体的添加量较多造成的。

与表1中样品1比较，样品2中B含量由0.45降低为0.31，C含量由0.54提高至0.68，性能数据对比发现，样品2抗拉强度较样品1降低了100MPa左右，屈服强度降低了30MPa，表明B含量的降低导致了材料强度的下降。总体上，在本发明规定合金元素添加范围内及采用本发明制备工艺制备的上述颗粒增强钛基复合材料，合金强度提升明显，强度和塑性性能匹配良好。

实施例3合金的高温(300℃)力学性能比较

上述样品的高温(300℃)力学性能数据，如表3所示

表3

样品1(颗粒增强钛基复合材料TiB_0.45C_0.54)300℃的抗拉强度均高于比较样品的抗拉强度，高出63～295MPa；样品2(颗粒增强钛基复合材料TiB_0.31C_0.68)300℃的抗拉强度高于比较样品3-5，与比较样品6的抗拉强度接近(比较样品6添加的增强体含量远高于本发明合金)。在本发明规定合金元素添加范围内及采用本发明制备工艺制备的上述颗粒增强钛基复合材料在300℃的高温性能呈现出明显的优越性。

实施例4合金的显微组织比较

图1是样品1的金相显微组织图；图2为比较样品5的金相显微组织图。

通过图1-2对比可以看出，样品1(颗粒增强钛基复合材料TiB_0.45C_0.54)主要由弥散分布在α-Ti基体上的等轴状或椭球状TiC增强相和短纤维状TiB增强相组成。与比较样品5对比，两者增强相均由TiC和TiB组成，只是样品1即本发明材料的增强相分布更为弥散、均匀，尺寸也更为细小，力学性能上表现为强度更高。

综上，本发明所述的TiB_xC_y颗粒增强钛基复合材料，增强相分布均匀、弥散且尺寸细小，强塑性能匹配良好，25℃抗拉强度≥660MPa，25℃屈服强度≥620MPa、25℃断后伸长率≥16％、300℃高温抗拉强度≥390MPa、300℃高温屈服强度≥260MPa、弹性模量E≥115GPa，具有较好的高温力学性能，达到或优于国内同类型钛基复合材料性能，是一种可作为结构件材料使用的综合性能优异的新型钛基复合材料。

显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种通式为TiB_xC_y的颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，其中x:0.3wt％～0.5wt％；y:0.5wt％～0.7wt％；Fe：<0.30wt％；N:<0.04wt％；H:<0.015wt％；O:<0.15wt％；余量为钛。

2.如权利要求1所述的颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，其中x:0.45wt％；y:0.54wt％；Fe:0.028wt％；N:0.022wt％；H:0.002wt％；O:0.10wt％；余量为钛。

3.如权利要求1所述的颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，其中x:0.31wt％；y:0.68wt％；Fe:0.027wt％；N:0.021wt％；H:0.002wt％；O:0.10wt％；余量为钛。

4.如权利要求1-3之一所述的颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，其力学性能指标为：25℃抗拉强度≥660MPa，25℃屈服强度≥620MPa，25℃断后伸长率≥16％，300℃高温抗拉强度≥390MPa，300℃高温屈服强度≥260MPa，弹性模量E≥115GPa。

5.根据权利要求1-4之一所述的颗粒增强钛基复合材料的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

②将配料压制成电极；

③经3次熔炼获得直径Φ190～500mm铸锭；

④经1100℃三次镦拔，获得120×120mm尺寸的方坯；

⑤在900℃棒材经一火锻至Φ10～100mm的棒材；

⑥经550～650℃保温1～3h，空冷至室温。