CN114182127B - 高性能原位增强钛基复合材料及其制备工艺 - Google Patents

高性能原位增强钛基复合材料及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能原位增强钛基复合材料及其制备工艺，包括以下步骤：(1)将氢化脱氢钛粉或纯钛粉与相对粒径较小的陶瓷增强相粉末在惰性气体或真空气氛保护下低速球磨；(2)将步骤(1)得到的混合粉体与中间合金粉、氢化钛粉混合均匀；(3)将步骤(2)得到的混合粉体采用模具压制或冷等静压形成粉末压坯；(4)将(3)得到的粉末压坯进行真空烧结，得到高性能原位增强钛基复合材料。本发明提出的新型工艺可在低成本‑短流程条件下，有效提高增强相分布均匀性和反应程度、控制材料杂质含量、提高材料致密度，使机械性能得到明显改善。

Description

高性能原位增强钛基复合材料及其制备工艺
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，具体是指一种高性能原位增强钛基复合材料及其制备工艺。
背景技术
钛及钛合金强度高、耐腐蚀性好，被广泛应用于航空航天，汽车，装备制造业等领域。但钛及钛合金的硬度低，耐磨性差和高温强度低等缺点限制了其商业上的成功。在钛合金中引入增强相可有效改善组织，提高钛材的耐磨性、杨氏模量、强度等以拓宽其应用范围。原位颗粒增强钛基复合材料具有各向同性、冶金结合界面干净且结合强度高、工艺简单、成本低廉等优点，应用前景非常广泛。粉末冶金法可按任意比例调配合金元素成分及添加相比例，具有生产工序少、可对复杂形状近净成型、材料利用率高、生产成本低等特点，长久以来一直作为合金材料及复合材料的主要制备手段。基于粉末冶金法制备钛基复合材料的一般工序为：混粉或球磨→制坯→烧结。
相比纯钛粉，采用氢化钛粉作为钛源，并基于粉末冶金工艺制备钛合金已被证明可在大幅降低材料成本的基础上，提高烧结活性与致密度且高温脱氢过程中氢原子还可吸附基体中的杂质元素一同溢出，起到清洁净化材料的作用。但使用氢化钛粉基于粉末冶金工艺制备的原位生成钛基复合材料则表现出孔隙率高、致密性差、增强相颗粒分布不均匀、反应不完全等结果，导致机械性能表现难以符合实际应用需求，通常需要引入复杂的热机械加工手段改善组织条件，提升力学性能。这严重影响了基于氢化钛利用粉末冶金工艺制备钛基复合材料的生产效率和成本优势。
高温烧结过程中，粉末压坯内部基体与中间合金的扩散固溶和基体与增强相颗粒间的扩散反应同步进行。增强相颗粒与钛基体的扩散反应首先从结合界面附近互相接触的原子开始并逐渐向远离结合界面的原子延伸；若增强相颗粒尺寸过大，先期扩散反应生成的组织会将增强相原始颗粒内部未反应部分包裹住，导致钛基体与未充分反应的增强相分隔开，造成反应不充分。若采用小尺寸的增强相颗粒，粒径变小，颗粒比表面积显著增加，导致吸附团聚效应的产生；通常需要采用长时间高能球磨或加入酒精采用湿法球磨、超声处理等方式将团聚小颗粒打散以增强在基体中的分布均匀性。氧氮等元素以及环境中的杂质极易在该过程中掺入材料，制约材料的力学性能。另一方面，固溶到钛基体中的中间合金元素会改变钛的晶体结构，严重制约钛基体与增强相扩散反应速率，导致增强相与基体反应不完全。而且，烧结过程产生的孔隙更倾向于在增强相周围增长聚集，这导致了增强相周围的孔隙变密变大；而增强相周围更大更稠密的孔隙分布减少了基体与增强相的接触范围，影响扩散反应的进一步进行。
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，而提供高性能原位增强钛基复合材料及其制备工艺。
为实现上述目的，本发明的技术方案是一种高性能原位增强钛基复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
(1)将氢化脱氢钛粉或纯钛粉与相对粒径较小的陶瓷增强相粉末在惰性气体或真空气氛保护下低速球磨；
(2)将步骤(1)得到的混合粉体与中间合金粉、氢化钛粉混合均匀；
(3)将步骤(2)得到的混合粉体采用模具压制或冷等静压形成粉末压坯；
(4)将(3)得到的粉末压坯进行真空烧结，得到高性能原位增强钛基复合材料。
进一步设置是所述的陶瓷增强相粉末为二硼化钛、硼或碳化硼。
进一步设置是所述的中间合金粉为铝钒合金粉。
本发明的第二个方面是提供一种如所述的制备工艺所制备的高性能原位增强钛基复合材料。
本发明还提供一种用于制备高性能原位增强钛基复合材料的混合粉体，该混合粉体包括以下组分：
氢化脱氢钛粉或纯钛粉 20～80质量份
陶瓷增强相粉末 3～10质量份
中间合金粉 5～15质量份
氢化钛粉 20～80质量份。
本发明的创新机理和有益效果是：
低速球磨可将低强度的陶瓷增强相粉末进一步破碎细化并均匀包裹在强度较高的钛颗粒表面，既降低增强相粒径又增大增强相与钛基体的接触范围，从而促进烧结过程中钛基体与增强相的扩散反应。而后向低速球磨得到的混合粉体再加入中间合金和氢化钛进行混粉。由于钛颗粒表面已被覆盖了一层细小的增强相粉末，且加入的氢化钛可作为中间合金与基体固熔过程的替代钛源，使得基体与中间合金的固熔过程和基体与增强相的反应扩散过程对彼此的影响得到有效抑制。低强度的氢化钛不仅可在压制过程中破碎成为更细小的颗粒，有效填补压坯内部粒径较大且强度较高的HDH钛颗粒(或钛颗粒)间的空隙，有利于提高压坯密度；而且可作为额外的钛源参与到中间合金固溶扩散过程和增强相颗粒的扩散反应过程。高温脱氢过程中，溢出材料的氢原子可吸附基体中的氧、氮、氯等杂质元素，达到清洁基体材料的净化作用，从而有效提高复合材料力学性能表现。
基于上述表述可认为，本发明提出的新型工艺可在低成本-短流程条件下，有效提高增强相分布均匀性和反应程度、控制材料杂质含量、提高材料致密度，使机械性能得到明显改善。
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本发明的工艺流程图；
图2本发明实施例1Ti6Al4V-5vol％TiB烧结态金相显微图；混合粉体工艺： (A)TiH2+MA+TiB2混粉6h(B)新型混合粉体制备工艺；
图3实例1Ti6Al4V-10vol％TiB烧结态金相显微图；混合粉体工艺：(A) TiH2+MA+TiB2混粉6h(B)新型混合粉体制备工艺。
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(制备Ti6Al4V-5vol％TiB钛合金复合材料)
按Ti6Al4V-5vol％TiB的成分比例(HDH-Ti:40wt.％；TiB2:3wt％；MA:10 wt％；TiH2:rest wt.％)，将一定质量的～88um的脱氢钛粉(HDH-Ti)与～10um二硼化钛(TiB2)粉末在氩气保护下以200rpm/min低速球磨4h后混入与脱氢钛粉同等质量的～88um氢化钛粉以及对应质量的铝钒合金粉(MA)；将混合粉体在氩气保护下搅拌6h。600Mpa模压成形送入烧结炉。当真空度达到1*10-3pa 以下开始以10℃/min速度升温至1250℃保温240min；随后炉冷至室温完成烧结。
本实施例1的性能测试如下：
Figure BDA0003402507560000051
上述两种工艺对照，参见图2所示。基于本专利所提出的新型混合粉体制备工艺得到的烧结样品对比传统混粉-压制-烧结样品组织成分均匀性更好，气孔缺陷尺寸和密度均得到有效抑制，增强相分布更均匀，机械性能提升明显。
实施例2(制备Ti6Al4V-10vol％TiB钛合金复合材料)
按Ti6Al4V-10vol％TiB的成分比例(HDH-Ti:50wt.％；TiB2:6wt％；MA:10 wt％；TiH2:rest wt.％)，将一定质量的～88um的脱氢钛粉(HDH-Ti)与～10um二硼化钛(TiB2)粉末在氩气保护下以200rpm/min低速球磨4h后混入与脱氢钛粉同等质量的～88um氢化钛粉以及对应质量的铝钒合金粉；将混合粉体在氩气保护下搅拌6h。600Mpa模压成形送入烧结炉。当真空度达到1*10-3pa以下开始以10℃/min速度升温至1250℃保温240min；随后炉冷至室温完成烧结。
Figure BDA0003402507560000052
上述两种工艺对照，参见图3所示。基于本专利所提出的新型混合粉体制备工艺得到的烧结样品对比传统混粉-压制-烧结样品组织成分均匀性更好，气孔缺陷尺寸和密度均得到有效抑制，增强相分布更均匀，机械性能提升明显。
在另一个实施例中，实施例1和2的所述的陶瓷增强相粉末由二硼化钛替换为硼或碳化硼，也能取得上述发明效果。
在另一个实施例中，实施例1和2的铝钒合金粉替换为铝矾铁、铝矾钼铬，也能取得上述发明效果。
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)

1.一种高性能原位增强钛基复合材料的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：
（1）将氢化脱氢钛粉或纯钛粉与相对粒径较小的陶瓷增强相粉末在惰性气体或真空气氛保护下200 rpm/min低速球磨；
（2）将步骤（1）得到的混合粉体与中间合金粉、氢化钛粉混合均匀；
（3）将步骤（2）得到的混合粉体采用模具压制或冷等静压形成粉末压坯；
（4）将步骤（3）得到的粉末压坯进行真空烧结，得到高性能原位增强钛基复合材料；
所述的陶瓷增强相粉末为二硼化钛、硼或碳化硼；
所述的中间合金粉为铝钒合金粉、铝矾铁、铝矾钼铬中的一种或多种组合。
2.一种如权利要求1所述的制备工艺所制备的高性能原位增强钛基复合材料。
3.一种用于制备高性能原位增强钛基复合材料的混合粉体，其特征在于：该混合粉体包括以下组分：
氢化脱氢钛粉或纯钛粉 20~80 质量份；
陶瓷增强相粉末 3~10 质量份；
中间合金粉 5~15 质量份；
氢化钛粉 20~80 质量份；
所述的陶瓷增强相粉末为二硼化钛、硼或碳化硼；
所述的中间合金粉为铝钒合金粉、铝矾铁、铝矾钼铬中的一种或多种组合。
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