CN1151299C - 钛基复合材料自反应－粉末冶金制备的方法 - Google Patents

Abstract

钛基复合材料自反应—粉末冶金制备的方法属于复合材料领域。该方法具体如下：称取适当化学计量：碳化硼含量在0.19%和5.17%之间，石墨含量在0和1.26%之间，合金元素的含量根据所需的性能要求调整合金化元素成分及合金化元素配比，余量为钛；采用V型混合机或球磨机将粉末混合均匀；采用模压成型或冷等静压成型将获得的混合粉末制备出具有预定外形的生坯；将生坯放入真空烧结炉中烧结，真空度控制在1×10^-1Pa-1×10^-3Pa之间，烧结温度控制在1200℃-1400℃之间，烧结时间为2-18小时；随炉冷却即可得原位自生钛基复合材料。本发明能简捷、低成本制备高性能的钛基复合材料，并可制备所需的复合材料，本发明制备不同摩尔比值TiB和TiC增强钛基复合材料具有近净成形的特点，尤其适合批量制备零件。

Description

钛基复合材料自反应—粉末冶金制备的方法

技术领域：本发明涉及的是一种自反应—粉末冶金制备的方法，特别是一种钛基复合材料自反应—粉末冶金制备的方法，属于复合材料领域。

背景技术：钛及其合金具有熔点高、无磁性、热膨胀系数低、比强度和比刚度高，而且耐腐蚀性能好、耐生物侵蚀等许多优异特性，因而广泛应用在航空、航天、交通、化工、石油、造船、纺织、造纸、能源、生物医学等领域。但随着技术的发展，传统的钛合金材料已达到其性能的极限，无法满足日益苛刻的综合性能的要求，从而出现了从固溶强化钛合金向有序金属间化合物及钛基复合材料转移的趋势。为争夺钛材料的技术和市场优势，世界各国纷纷进行了钛合金复合材料的开发研究。与价格昂贵、工艺复杂、材料各向异性的连续纤维增强钛基复合材料比较，具有各向同性、易于加工的颗粒增强钛基复合材料则因其机械性能的提高幅度大，成本相对降低，技术经济效益明显，从而引起人们广泛的关注。世界各国的科研工作者已开发设计了各种不同的加工工艺制备颗粒增强钛基复合材料。虽然与基体钛合金比较，复合材料性能获得了显著提高，然而也显著提高了复合材料的成本，因而也限制了钛基复合材料的应用。例如在汽车行业使用钛基复合材料以后，可极大地减轻汽车重量、降低其燃料消耗、提高汽车工作效率、改善环境和降低噪音等，但是目前制备的钛基复合材料成本太高，只是在赛车、高级轿车中获得应用。因此，钛基复合材料要想进入汽车市场，除了发挥自身的性能优势外，还必须进一步降低成本至汽车业可以接受的水平。美、日、俄等国都在积极寻找降低成本的方法和工艺，主要在以下两个方面开展了工作，一是开发低成本的合金体系，二是改进生产工艺。因粉末冶金工艺具有近净成形的特点，可以简捷、低成本制备所需零件，从而获得人们亲睐。经文献检索发现，StanleyAbkowitz等人在《Industrial Heating》(工业热处理)，1993，60(9)：32-37，撰文“Particulate reinforced titanium alloy composites economically formed by combinedcold and hot isostatic pressing(利用冷热等静压法简捷生产颗粒增强钛合金复合材料)”，该文介绍了美国Dynamet技术公司以粉末冶金技术开发的CermeTi系列钛基复合材料已在汽车工业等领域获得商业应用，是世界上最早获得工业化生产的钛基复合材料。但该公司采用的复合方法是将TiC等增强颗粒人为地加入到钛合金中，利用外加法制备的，不能从根本上解决增强体的均匀分布、增强体与基体完整结合等许多难题，外加增强体的污染也会降低复合材料的性能。

发明内容和具体实施方式：本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种钛基复合材料自反应—粉末冶金制备的方法，该方法将传统的粉末冶金工艺与原位合成技术有机结合起来，利用钛与碳化硼、石墨之间的化学反应制备了不同摩尔比值TiB晶须和TiC颗粒混杂增强的钛基复合材料，有效地解决了传统复合材料的高成本问题和外加增强体污染问题，使增强体分布更为均匀，与基体结合更好，可以简捷、低成本制备出新型钛基复合材料及其零件，并且该方法适合大批量的工业生产，尤其适合大批量加工零件，从而满足对低成本制备工艺、高性能钛材的迫切需求。本发明方法具体如下：

(1)称取适当化学计量的海绵钛、碳化硼、石墨粉和合金化元素粉末，其配比：碳化硼含量在0.19％和5.17％之间，石墨含量在0和1.26％之间，合金元素的含量根据所需的性能要求调整合金化元素成分及合金化元素配比，余量为钛；

(2)采用V型混合机或球磨机将上述粉末混合均匀，采用一种已知的混合方法，无需采取特别的措施，就能够获得各种粉末粒子均匀分布的混合粉末；

(3)然后采用模压成型或者冷等静压成型将上述混合步骤中获得的混合粉末制备出具有预定外形的生坯；

(4)将制备的生坯放入真空烧结炉中烧结，真空度控制在1×10^-1Pa-1×10^-3Pa之间，烧结温度控制在1200℃-1400℃之间，烧结时间为2-18小时；

(5)最后随炉冷却，制得原位自生钛基复合材料。

以下对本发明方法的进一步限定：粉末原料按下列两个反应式中的一个或两个反应混合：

    

    

增强体的体积分数控制在30％以内，合金化元素包括Al、Sn、Zr、Mo等所有的传统钛合金化元素的一种或几种，合金元素的含量根据所需的性能要求调整合金化元素成分及合金化元素的配比，增强体TiB和TiC的摩尔比值可以通过添加不同的碳化硼和石墨粉末实现。

根据本发明方法制备的钛基复合材料，经热锻、热轧等二次加工工艺制备成形，经模压成型的方法近净成形制备所需的由钛基复合材料组成的零件。

本发明具有实质性特点和显著进步，在不改变传统粉末冶金制备设备和工艺流程的情况下简捷、低成本制备高性能的钛基复合材料，并且可以通过调整不同增强体含量、增强体摩尔比值及基体合金成分制备不同性能的复合材料以满足不同需求。与铸锭冶金工艺比较，自反应—粉末冶金工艺制备不同摩尔比值TiB和TiC增强钛基复合材料具有近净成形的特点，尤其适合批量制备零件。

结合本发明的内容提供以下三个实施例：

实施例1：制取1％(TiB+TiC)/Ti复合材料(TiB∶TiC＝4∶1)。按照配比称取海绵钛(99.81％)和碳化硼(0.19％)粉末，将上述粉末采用V型混合机混合均匀，然后采用模压成型的方法将上述混合步骤中获得的混合粉末制备出圆形的生坯。将制备的生坯放入真空烧结炉中烧结，真空度控制在1×10^-1Pa，烧结温度为1200℃，烧结时间为18小时，最后随炉冷却，制得原位自生钛基复合材料。

实施例2：制取15％(TiB+TiC)/Ti复合材料(TiB∶TiC＝1∶1)。按照配比称取钛粉(96.99％)、碳化硼(1.75％)和石墨(1.26％)粉末，将上述粉末采用球磨机混合均匀，然后采用冷等静压成型的方法将上述混合步骤中获得的混合粉末制备出长方形的生坯，将制备的生坯放入真空烧结炉中烧结，真空度控制在1×10^-2Pa，烧结温度为1300℃，烧结时间为8小时，随炉冷却，制得原位自生钛基复合材料。最后利用热轧工艺将其轧制成规定尺寸的板材。

实施例3：制取28％(TiB+TiC)/Ti-8％Al复合材料(TiB∶TiC＝4∶1)。按照配比称取海绵钛(90.08％)、碳化硼粉末(5.17％)和铝粉(4.75％)，将上述粉末采用V型混合机混合均匀，然后采用模压成型的方法将上述混合步骤中获得的混合粉末制备出圆形的生坯，将制备的生坯放入真空烧结炉中烧结，真空度控制在1×10^-3Pa，烧结温度为1400℃，烧结时间为2小时，最后随炉冷却，制得原位自生钛基复合材料。

Claims (3)

1、一种钛基复合材料自反应—粉末冶金制备的方法，其特征在于该方法具体如下：(1)称取适当化学计量的海绵钛、碳化硼、石墨粉和合金化元素粉末，其配比：碳化硼含量在0.19％和5.17％之间，石墨含量在0和1.26％之间，合金元素的含量根据所需的性能要求调整合金化元素成分及合金化元素配比，余量为钛；(2)采用V型混合机或球磨机将上述粉末混合均匀；(3)然后采用模压成型或冷等静压成型方法将上述混合步骤中获得的混合粉末制备出具有预定外形的生坯；(4)将制备的生坯放入真空烧结炉中烧结，真空度控制在1×10^-1Pa-1×10^-3Pa之间，烧结温度控制在1200℃-1400℃之间，烧结时间为2-18小时；(5)最后随炉冷却，制得原位自生钛基复合材料。

2、根据权利要求1所述的这种钛基复合材料自反应—粉末冶金制备的方法，其特征是粉末原料按下列两个反应式中的一个或两个反应混合： ， 。

3、根据权利要求1所述的这种钛基复合材料自反应—粉末冶金制备的方法，其特征是增强体的体积分数控制在30％以内。