CN115502399B - 一种低温热等静压制备的钛基复合材料及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温热等静压制备的钛基复合材料及其方法。所述方法为：将钛基粉末和增强相原料粉末混合均匀后进行真空热压烧结，得到钛基复合材料坯料；将钛基复合材料坯料进行制粉，得到钛基复合粉末；将钛基复合粉末装入钢包套中，经真空除气与封焊处理后，再在700~1030℃进行低温热等静压处理3~6h，经酸洗脱模，制得钛基复合材料。本发明降低了热等静压制备钛基复合材料的制备温度，避免了二次复压和钛合金包套，提高了制备效率，可以避免增强相尺寸长大，可以促进基体晶粒细化与等轴化，有利于提高复合材料性能；同时降低了热等静压过程中Ti‑Fe扩散程度，可以实现钛基复合材料制备成形一体化。
Description
技术领域
本发明涉及钛基复合材料制备技术领域，具体涉及一种低温热等静压制备钛基复合材料的方法以及由此制得的钛基复合材料。
背景技术
钛基复合材料，是通过在钛合金基体中加入陶瓷增强相所获得的一种复合材料。钛基复合材料因其优异的比强度和比刚度等特性，在航空航天领域具有广泛的应用前景。但是，由于硬质陶瓷增强相的引入，钛基复合材料的塑性和韧性受到很大影响，不利于其加工和成形。热等静压法，作为一种制备成形一体化的材料制备方式，是实现钛基复合材料应用推广的一种有效制备手段。
热等静压制备材料一般包括包套制备、装粉、封焊、热等静压与脱模。对于热等静压法制备钛合金来说，压制温度一般在950℃以下，包套一般采用应用较为成熟的低碳钢。但是通过粉末冶金制备钛基复合材料往往需要原位自生反应生成增强相，通常生成这些增强相的原位自生反应一般是需要在1100℃以上保温足够时间才能充分进行。根据铁-钛相图，在1085℃以上，铁和钛会发生共晶反应产生液相。如果采用低碳钢或不锈钢包套，热等静压温度超过共晶温度制备钛基复合材料时风险极高，而且液相的形成使得构件尺寸难以精确控制，生成的共晶反应物也会严重影响内部材料的性能，失去了热等静压成形的目的。为此，钛基复合材料制备采用两种改进方式。其一，在1000℃以下进行一次热等静压使内部粉体充分烧结致密，脱模后再在1100℃以上进行二次复压（如参考中国专利申请CN202210165173.3）；但这种方法需要两次入炉，成本过高，制备周期长。其二，采用纯钛替代低碳钢或不锈钢进行包套；但这不仅提高了包套的制备与加工成本，而且钛的可焊性和高温稳定性弱于钢，可能在高温下发生焊缝开裂等问题，而且包套与基体均为钛材，脱模不易，只能采用机加工方式脱模，对于复杂形状无法实现脱模。不仅如此，以上两种通过粉末冶金制备钛基复合材料的方式的共性问题是，均需要在增强相原位自生反应温度（1100℃）以上的高温下进行热等静压（热等静压一般需要在1100℃以上保温足够时间），即涉及在钛合金基体的β单相区进行热等静压。而单相区压制会使基体完全转变为β相，晶粒粗化，并促进增强相的大规模长大，降低材料性能。
因此，非常有必要提供一种新的钛基复合材料的制备方法，以解决现有钢包套热等静压制备钛基复合材料过程中由于热等静压制备中存在的增强相原位自生反应和铁-钛共晶反应的温度冲突而导致的制备效率较低、制备与加工成本较高以及钛基复合材料性能较低等问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的一个或者多个技术问题，本发明提供了一种低温热等静压制备钛基复合材料的方法以及由此制得的钛基复合材料。本发明方法降低了热等静压钛基复合材料的制备温度，避免了二次复压和采用钛合金包套，可以有效降低材料制备成本，提高了制备效率；本发明降低了热等静压压制温度，也可以避免增强相尺寸长大，可以促进基体晶粒细化与等轴化，有利于提高复合材料性能；同时降低了热等静压过程中Ti-Fe扩散程度，提高了热等静压制备钛基复合材料的表面质量，可以实现钛基复合材料制备成形一体化。
本发明在第一方面提供了一种低温热等静压制备钛基复合材料的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将钛基粉末和增强相原料粉末混合均匀后进行真空热压烧结，得到钛基复合材料坯料；
（2）将所述钛基复合材料坯料进行制粉，得到钛基复合粉末；
（3）将所述钛基复合粉末装入钢包套中，经真空除气与封焊处理后，再在700~1030℃进行低温热等静压处理3~6h，经酸洗脱模，制得钛基复合材料。
优选地，所述真空除气为：先在室温下进行真空除气至钢包套内的真空度达到10- 2Pa以下，然后在350~450℃继续进行真空除气至钢包套内的真空度达到10-3Pa以下，再在550~650℃继续进行真空除气至钢包套内的真空度再次达到10-3Pa以下。
优选地，所述钛基粉末为TA、TB或TC系列钛合金粉末；所述增强相原料粉末为TiB2、B4C、LaB6、B、C或Si粉末中的一种或多种；和/或所述钢包套为不锈钢包套或低碳钢包套。
优选地，通过旋转电极或气雾化方式进行制粉；和/或所述钛基复合粉末的粒径为20~250μm。
优选地，所述钛基复合材料中含有的增强相的体积分数为0.5~10vol.%。
优选地，所述真空热压烧结的温度为1100~1300℃，所述真空热压烧结的压力为20~40MPa，所述真空热压烧结的时间为0.5~2h。
优选地，所述低温热等静压处理的温度为700~900℃。
优选地，所述低温热等静压处理的压力为100~150MPa；和/或以5~15℃/min的升温速率升温至所述低温热等静压处理的温度。
优选地，采用硝酸溶液进行所述酸洗脱模，所述硝酸溶液的浓度为20~50vol.%。
本发明在第二方面提供了一种钛基复合材料，采用本发明在第一方面所述的低温热等静压制备钛基复合材料的方法制备得到。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
（1）针对热等静压制备钛基复合材料方法，本发明首次提供了一种低温热等静压制备钛基复合材料的方法；本发明方法首先通过真空热压烧结方式制备钛基复合材料坯料，并利用气雾化或旋转电极制粉方式将钛基复合材料坯料熔化并迅速冷却，获得具有小尺寸均匀分布增强相的钛基复合粉末；然后将得到的钛基复合粉末填装进不锈钢或低碳钢包套，经真空除气和封焊处理后，只需要700~1030℃下长时间保温进行热等静压即可实现钛基复合材料致密化；最后将热等静压后制备的坯料进行硝酸酸洗脱模，即可得到钛基复合材料；本发明方法可以显著降低钛基复合材料热等静压温度，提高钛基复合材料制备效率；此外，本发明在低温下进行热等静压制备钛基复合材料可以有效避免增强相尺寸长大，可以促进基体晶粒细化与等轴化，同时降低了热等静压过程中Ti-Fe扩散程度，提高了热等静压制备钛基复合材料的表面质量，这些均有利于提高复合材料性能。
（2）本发明方法通过硝酸酸洗脱模后，无需进行后续热处理、变形处理或粗机加工，直接得到的是高性能钛基复合材料构件，实现了钛基复合材料热等静压制备成形一体化；本发明方法显著降低了钛基复合材料制备温度，避免了二次复压和采用钛合金包套，明显提高了钛基复合材料制备效率，可以实现复杂形状的钛基复合材料构件制备成形一体化；在应用时，本发明制得的钛基复合材料构件通过少数部位精加工或者与其它构件连接的结构进行加工（比如加工螺纹等）后即可投入使用。
（3）本发明方法解决了现有技术中钛基复合材料由于热等静压制备中存在的增强相原位自生反应和铁-钛共晶反应的温度冲突的问题，即避免了用钢包套热等静压制备钛基复合材料过程中，温度超过1085℃以上发生钛-铁共晶反应的问题，研发了一种热等静压制备钛基复合材料的新工艺路线，解决了钛基复合材料制备成形一体化的问题。
（4）本发明方法适用的基体种类和增强相种类广，钛基复合材料的基体可以选择几乎所有TA、TB和TC系列钛合金，增强相可以选择TiB、TiC、LaB2等；此外，本发明方法采用经真空热压烧结和利用气雾化或旋转电极制粉方式得到的钛基复合粉末进行低温热等静压，增强相分布于粉末内部，而非表面，可以降低热等静压压制过程中增强相原料包裹基体粉末带来的应力屏蔽作用，降低变形抗力，因此，本发明方法可以制备较高增强相含量的钛基复合材料，增强相的含量可达10vol.%以上；而现有热等静压制备钛基复合材料过程，由于采用低能球磨混粉获得复合粉末，增强相原料包裹于基体粉末表面，不利于基体变形，而且粉末之间不易变形的增强相原料会阻碍粉末致密化，由于压制过程中抗力大，一般只能得到增强相含量为1~5vol.%的钛基复合材料。本发明方法，能够提高增强相的体积含量达到10vol.%左右，材料致密，性能好。
附图说明
图1是本发明实施例1和实施例2中钢包套内装有钛基复合粉末经真空除气与封焊后的钢包套宏观形貌图；图中，（a）对应的是实施例1中钢包套内装有钛基复合粉末经真空除气与封焊后的钢包套宏观形貌图，（b）对应的是实施例2中钢包套内装有钛基复合粉末经真空除气与封焊后的钢包套宏观形貌图。
图2是本发明实施例1和实施例2中经低温热等静压处理后钛基复合材料出炉的宏观形貌图（未去除钢包套）；图中，（a）对应的是实施例1中经低温热等静压处理后钛基复合材料出炉的宏观形貌图（未去除钢包套），（b）对应的是实施例2中经低温热等静压处理后钛基复合材料出炉的宏观形貌图（未去除钢包套）。
图3是本发明实施例1和实施例2制得的钛基复合材料的横截面图（未去除钢包套）；图中，（a）对应的是实施例1制得的钛基复合材料的横截面图，（b）对应的是实施例2制得的钛基复合材料的横截面图。
图4是本发明实施例1经酸洗脱模制得的钛基复合材料的微观组织形貌图（SEM）图；图4中，（a）表示的是低倍下的微观形貌图，（b）表示的是高倍下的微观形貌图。
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，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明在第一方面提供了一种低温热等静压制备钛基复合材料的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将钛基粉末和增强相原料粉末混合均匀后进行真空热压烧结，得到钛基复合材料坯料；本发明对钛基粉末和增强相原料粉末的混合方式不做具体的限定，采用常规操作进行即可，例如可以通过低能球磨混合均匀，在本发明中的一些具体实施例中，在氩气气氛中进行低能球磨处理4~8h，球磨的转速为150~250r/min，球料比为（5~10）：1；在本发明中，所述真空热压烧结的温度例如为1100~1300℃，真空热压烧结的压力例如为20~40MPa，真空热压烧结的时间例如为0.5~2h，真空热压烧结例如在真空度不大于10-3Pa的条件下进行；
（2）将所述钛基复合材料坯料进行制粉，得到钛基复合粉末；本发明对制粉方式不做具体的限定，采用常规操作进行即可，优选的是，通过旋转电极制粉（也记作旋转制粉）或者气雾化制粉方式将钛基复合材料坯料熔化并迅速冷却，获得具有小尺寸均匀分布增强相的钛基复合粉末，优选的是，得到粒径为20~250μm的钛基复合粉末；
（3）将所述钛基复合粉末装入钢包套中，经真空除气与封焊处理后，再在700~1030℃（例如700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃或1030℃）进行低温热等静压处理3~6h（例如3、3.5、4、4.5、5、5.5或6h），经酸洗脱模，制得钛基复合材料；在本发明中，酸洗脱模，指的是通过酸洗去除钢包套，得到去除了钢包套的钛基复合材料；在本发明中，低温热等静压指的是在700~1030℃进行低温热等静压，低温热等静压中的低温是相对而言的，具体指的是相比现有热等静压制备钛基复合材料具有相对较低的制备温度；本发明中的低温热等静压在惰性气氛中进行，例如在氮气或氩气气氛中进行。
针对钢包套热等静压制备钛基复合材料过程中存在的增强相原位自生反应和铁-钛共晶反应的温度冲突的问题，本发明首次提供了一种低温热等静压制备钛基复合材料的方法；本发明首先通过真空热压烧结制备钛基复合材料坯料，此时通过高温原位自生反应生成增强相；再利用旋转电极或气雾化制粉获得粒径不同的钛基复合粉末，在直接将增强相引入钛基粉末内部的同时，也可以实现增强相细化，即实现了原位自生反应引入了小尺寸的增强相；本发明采用低碳钢或不锈钢包套，在700~1030℃进行低温热等静压，可以实现在钛合金的双相区温度下热等静压，进行构件制备，最后通过硝酸酸洗脱模，无需进行后续热处理、变形处理或粗机加工，直接得到的是高性能钛基复合材料构件，可以实现复杂形状的钛基复合材料构件制备成形一体化；在应用时，本发明制得的钛基复合材料构件通过少数部位精加工或者与其它构件连接的结构进行加工（比如加工螺纹等）后即可投入使用；本发明方法仅只需要一次热等静压，明显缩短了制备周期，而且可以在钛合金的双相区进行压制（低温700~1030℃进行热等静压），可以获得双态基体组织，并且低温热等静压有利于使增强相尺寸稳定，避免增强相尺寸长大（高温会促进增强相长大），可以使得基体晶粒细化与等轴化，从而有利于提高复合材料性能；同时降低了热等静压过程中Ti-Fe扩散程度，有利于提高酸洗后钛基复合材料构件表面质量，减少后续精加工的工作量；此外，本发明方法采用经真空热压烧结和利用气雾化或旋转电极制粉方式得到的钛基复合粉末进行低温热等静压，增强相分布于粉末内部，而非表面，可以降低热等静压压制过程中增强相原料包裹基体粉末带来的应力屏蔽作用，降低变形抗力。因此，本发明方法可以制备较高增强相含量的钛基复合材料，增强相的含量甚至可以高达10vol.%左右；而现有热等静压制备钛基复合材料过程，由于采用低能球磨混粉获得复合粉末，增强相原料包裹于基体粉末表面，不利于基体变形，而且粉末之间不易变形的增强相原料会阻碍粉末致密化，由于压制过程中抗力大，一般只能得到增强相含量为1~5vol.%的钛基复合材料；而本发明方法，能够提高增强相的体积含量达到10vol.%左右，材料致密，性能好。
根据一些优选的实施方式，所述真空除气为：先在室温（例如室温15~35℃）下进行真空除气至钢包套内的真空度达到10-2Pa以下，然后在350~450℃继续进行真空除气至钢包套内的真空度达到10-3Pa以下，再在550~650℃继续进行真空除气至钢包套内的真空度再次达到10-3Pa以下；在本发明中，由于粉末内部含有增强相，因此抗氧化能力更强，优选为对装有钛基复合粉末的钢包套依次在室温、350~450℃和550~650℃进行所述真空除气。相比现有技术中仅在350~450℃下进行真空除气，提高除气温度可以促进包套中和粉末内部残留气体的释放，有利于降低热等静压后复合材料内部的气体含量，可以提高钛基复合材料的力学性能。
根据一些优选的实施方式，所述钛基粉末为TA、TB或TC系列钛合金粉末；所述增强相原料粉末为TiB2、B4C、LaB6、B、C或Si粉末中的一种或多种；本发明对采用的这些钛基粉末或增强相原料粉末的粒径不做具体的限定，采用常规的粒径即可；和/或所述钢包套为不锈钢包套或低碳钢包套。
根据一些优选的实施方式，通过旋转电极或气雾化方式进行制粉；和/或所述钛基复合粉末的粒径为20~250μm。
根据一些优选的实施方式，所述钛基复合材料中含有的增强相的体积分数（体积百分含量）为0.5~10vol.%（例如0.5vol.%、1vol.%、1.5vol.%、2vol.%、2.5vol.%、3vol.%、3.5vol.%、4vol.%、4.5vol.%、5vol.%、5.5vol.%、6vol.%、6.5vol.%、7vol.%、7.5vol.%、8vol.%、8.5vol.%、9vol.%、9.5vol.%或10vol.%）；在本发明中，通过化学反应方程式结合经验公式可以由增强相原料粉末的用量的质量分数，得到钛基复合材料中的增强相的体积百分含量，比如对于以TiB2粉末为增强相原料制备钛基复合材料时，两者的关系为：TiB增强相的体积分数值为TiB2质量分数值的1.7倍；对于以C粉为增强相原料制备钛基复合材料时，两者的关系为：0.22质量分数的C粉对应1体积分数的TiC增强相。
根据一些优选的实施方式，所述真空热压烧结的温度为1100~1300℃，所述真空热压烧结的压力为20~40MPa，所述真空热压烧结的时间为1.5~3h。
根据一些优选的实施方式，所述低温热等静压处理的温度为700~900℃。
根据一些优选的实施方式，所述低温热等静压处理的压力为100~150MPa；以5~15℃/min（例如5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15℃/min）的升温速率升温至所述低温热等静压处理的温度，且温度和压力同步提升，即低温热等静压处理的压力与低温热等静压处理的温度同时增加至设定值。
根据一些优选的实施方式，采用硝酸溶液进行所述酸洗脱模，所述硝酸溶液的浓度为20~50vol.%（例如20vol.%、25 vol.%、30 vol.%、35 vol.%、40 vol.%、45 vol.%或50vol.%）；在本发明中，所述硝酸溶液指的是硝酸水溶液，所述硝酸溶液的浓度为20~50vol.%，指的是硝酸水溶液中含有的HNO3的体积分数为20~50vol.%；在本发明中，vol.%表示体积分数，wt.%表示质量分数。
根据一些具体的实施方式，本发明低温热等静压制备钛基复合材料的方法包括如下过程：
①钛基复合粉末制备：
采用球磨的方式将钛基粉末和增强相原料粉末混合均匀后进行真空热压烧结，制得钛基复合材料坯料；其中，钛基粉末可以选择几乎所有TA、TB和TC系列钛合金粉末，增强相可以选择TiB、TiC、Si化物等，对应的增强相原料粉末可以选择TiB2粉、C粉、B4C粉、Si粉等；利用真空热压烧结过程中的原位自生反应，得到增强相，通过旋转电极或气雾化方式制粉，得到含有增强相的钛基复合粉末，在制粉过程中增强相发生回溶和析出，不仅保留了增强相，而且实现其细化，有助于提高材料强度，得到粒径不同的钛基复合材料粉末。
②钢包套设计与制备
采用低碳钢或不锈钢制备钢包套；清洗钢包套后，将钢包套底部焊接，装入钛基复合粉末，并摇晃、敲击以充分振实，直至粉末高度不再下降。
③真空除气与封焊处理
先在室温下进行除气，当真空度降至10-2Pa以下后，加热至400℃保温进行真空除气，当真空度降至10-3Pa以下后，加热至600℃保温进行真空除气，当真空度再次达到10-3Pa以下时，用液压钳将加热软化的抽气管压实，封焊包套，并锯掉多余部分。
④低温热等静压制备
对获得的钛基复合粉末，仅需要在700~1030℃进行一次热等静压即可，升温速率5~15℃/min，热等静压压力100MPa~150MPa，压力与温度同步增加。当温度和压力均达到设定值后，进行保温保压，保温保压时间需达到3h~6h。
⑤酸洗脱模
取出带有钢包套的钛基复合材料，于硝酸溶液(浓度20 vol.%~50 vol.%)中进行酸洗脱模，直至钢包套无残留，得到钛基复合材料；在本发明中，对所述硝酸溶液的用量不做具体的限定，能使得带有钢包套的钛基复合材料完全浸没在所述硝酸溶液中即可。
本发明在第二方面提供了一种钛基复合材料，采用本发明在第一方面所述的低温热等静压制备钛基复合材料的方法制备得到。
下文将通过举例的方式对本发明进行进一步的说明，但是本发明的保护范围不限于这些实施例，还包括钛基粉末种类和增强相原料种类的选择、热等静压温度在一定范围的改变、热等静压时间的改变等。
实施例1
以99.5wt.%TA15钛合金粉末和0.5wt.%TiB2粉末为原料，通过低能球磨（氩气气氛球磨处理的转速为220r/min，球料比为5:1，球磨处理时间5h）和真空热压烧结（真空热压烧结的温度1200℃，压力为30MPa，真空热压烧结的时间为1h，真空热压烧结的真空度在10-3Pa以下），获得0.85vol.%TiB的烧结态TiB/TA15复合材料（钛基复合材料坯料），以旋转电极制粉方式获得粒径在75~250μm范围的TiB/TA15复合粉末（钛基复合粉末）。将TiB/TA15复合粉末装入低碳钢包套中，通过室温25℃真空除气至钢包套内的真空度达到10-2Pa以下，然后在400℃继续进行真空除气至钢包套内的真空度达到10-3Pa以下，再在600℃继续进行真空除气至钢包套内的真空度再次达到10-3Pa以下时，封焊，在氩气气氛中以850℃、150MPa进行低温热等静压保温4h，以升温速率10℃/min升温至850℃，压力与温度同时增加至设定值；最后用体积分数为40vol.%的硝酸溶液进行酸洗，得到TiB/TA15复合材料（钛基复合材料）。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于：
在获得烧结态TiB/TA15复合材料（钛基复合材料坯料）之后，以气雾化制粉方式获得粒径在20~100μm范围的TiB/TA15复合粉末（钛基复合粉末）；其它操作与实施例1的均相同。
本发明实施例1和实施例2中钢包套内装有钛基复合粉末经真空除气与封焊后的钢包套宏观形貌图，如图1所示；从图1可以看出焊缝处结合良好，不存在泄漏现象。
本发明实施例1和实施例2中经低温热等静压处理后钛基复合材料出炉的宏观形貌图（未去除钢包套），如图2所示；从图2可以看出在热等静压后随内部烧结体致密化，钢包套发生收缩，靠近心部位置收缩程度大于边角位置，不存在异常变形。
本发明实施例1和实施例2制得的钛基复合材料的横截面图（未去除钢包套），如图3所示；从图3可以看出制备的钛基复合材料宏观上致密，外部钢包套和内部钛基复合材料的界面清晰，说明在低温下热等静压未发生钛-铁共晶反应，保证了内部材料质量。
本发明实施例1经酸洗脱模制得的钛基复合材料的微观组织形貌图（SEM）图，如图4所示；在图4(a)的微观组织中可以看到钛基复合材料在微观上也是致密的，组织均匀，说明通过低温热等静压成功实现了钛基复合材料的制备；在图4(b)中可以看到纳米尺寸的TiB增强相，说明在烧结过程中大部分TiB增强相未发生长大，仍保持小尺寸，有利于复合材料强度提升。
实施例3
以97.8wt.%TC4钛合金粉末和2.2wt.%C粉为原料，通过低能球磨（氩气气氛球磨处理的转速为220r/min，球料比为10:1，球磨处理时间6h）和真空热压烧结（真空热压烧结的温度1200℃，压力为30MPa，真空热压烧结的时间为2h，真空热压烧结的真空度在10-3Pa以下），获得TiC含量为10vol.%的烧结态TiC/TC4复合材料（钛基复合材料坯料），以旋转电极制粉方式获得粒径在75~250μm范围的TiC/TC4复合粉末（钛基复合粉末）。将TiC/TC4复合粉末装入低碳钢包套中，通过室温25℃真空除气至钢包套内的真空度达到10-2Pa以下，然后在400℃继续进行真空除气至钢包套内的真空度达到10-3Pa以下，再在600℃继续进行真空除气至钢包套内的真空度再次达到10-3Pa以下时，封焊，在氩气气氛中以1030℃、140MPa进行低温热等静压保温3h，以升温速率10℃/min升温至1030℃，压力与温度同时增加至设定值；最后用体积分数为40vol.%的硝酸溶液进行酸洗，得到TiC/TC4复合材料（钛基复合材料）。
实施例4
以95wt.%Ti55钛合金粉末（TA系列）和5wt.%TiB2粉为原料，通过低能球磨（氩气气氛球磨处理的转速为220r/min，球料比为6:1，球磨处理时间6h）和真空热压烧结（真空热压烧结的温度1300℃，压力为20MPa，真空热压烧结的时间为2h，真空热压烧结的真空度在10- 3Pa以下），获得TiB含量为8.5vol.%的烧结态TiB/Ti55复合材料（钛基复合材料坯料），以旋转电极制粉方式获得粒径在75~250μm范围的TiB/Ti55复合粉末（钛基复合粉末）。将TiB/Ti55复合粉末装入低碳钢包套中，通过室温25℃真空除气至钢包套内的真空度达到10-2Pa以下，然后在400℃继续进行真空除气至钢包套内的真空度达到10-3Pa以下，再在600℃继续进行真空除气至钢包套内的真空度再次达到10-3Pa以下时，封焊，在氩气气氛中以950℃、150MPa进行低温热等静压保温5h，以升温速率8℃/min升温至950℃，压力与温度同时增加至设定值；最后用体积分数为50vol.%的硝酸溶液进行酸洗，得到TiB/Ti55复合材料（钛基复合材料）。
实施例5
实施例5与实施例1基本相同，不同之处在于：
以98.8wt.%TA15钛合金粉末和1.2wt.%TiB2粉末为原料，得到TiB体积百分含量为2vol.%的TiB/TA15钛基复合材料。
实施例6
实施例6与实施例1基本相同，不同之处在于：
以95wt.%TA15钛合金粉末和5wt.%TiB2粉末为原料，得到TiB体积百分含量为8.5vol.%的TiB/TA15钛基复合材料。
实施例7
实施例7与实施例1基本相同，不同之处在于：
以99wt.%TC4钛合金粉末和1wt.% LaB6粉末为原料，得到(TiB+La2O3)/TC4复合材料（钛基复合材料）。
实施例8
实施例8与实施例1基本相同，不同之处在于：
以99wt.%TC18钛合金粉末和1wt.%B4C粉末为原料，得到(TiB+TiC)/TC18复合材料（钛基复合材料）。
实施例9
实施例9与实施例1基本相同，不同之处在于：
以99wt.%TA15钛合金粉末和1wt.% Si粉末为原料，得到Ti5Si3/TA15复合材料（钛基复合材料）。
对比例1
将平均粒径为100μm的TA15钛合金粉末和平均粒径为8μm的TiB2粉末在氩气气氛下进行球磨处理5h，得到混合物；其中，TA15钛合金粉末的质量分数为95wt.％，TiB2粉末的质量分数为5wt.％，球磨处理的转速为220r/min，球料比为5:1；将混合物装入低碳钢包套中，将低碳钢包套在400℃下进行真空除气处理，直至低碳钢包套内的真空度为10-5Pa时，将低碳钢包套焊接密封，然后将低碳钢钢包套进行第一热等静压处理后并去除所述低碳钢包套（用体积分数为40vol.%的硝酸溶液进行酸洗去除低碳钢包套），得到烧结体；其中，第一热等静压处理的温度为1000℃，压强为120MPa，处理时间为2h，处理环境为氩气气氛；然后将烧结体进行第二热等静压处理，得到TiB体积百分含量为8.5vol.%的TiB/TA15复合材料（钛基复合材料）；其中，第二热等静压处理的温度为1200℃，压强为120MPa，处理时间为2h，处理环境为氩气气氛。
本发明对实施例1、实施例5~6以及对比例1制得的钛基复合材料的性能进行了测试，结果如表1所示；其中，拉伸性能测试依据GB/T 228.1 2010：室温试验方法。
表1
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种低温热等静压制备钛基复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将钛基粉末和增强相原料粉末混合均匀后进行真空热压烧结，得到钛基复合材料坯料；所述钛基粉末为TA15钛合金粉末；所述增强相原料粉末为TiB2粉末；
(2)将所述钛基复合材料坯料进行制粉，得到钛基复合粉末；
(3)将所述钛基复合粉末装入钢包套中，经真空除气与封焊处理后，再在700～900℃进行低温热等静压处理3～6h，经酸洗脱模，制得具有原位自生反应生成的TiB增强相的TiB/TA15钛基复合材料；
在低温700～900℃下进行热等静压制备TiB/TA15钛基复合材料可以有效避免增强相尺寸长大，得到的是纳米尺寸的TiB增强相，可以促进基体晶粒细化与等轴化，同时降低了热等静压过程中Ti-Fe扩散程度，提高了热等静压制备TiB/TA15钛基复合材料的表面质量和性能；
所述TiB/TA15钛基复合材料中含有的TiB增强相的体积分数为2～8.5vol.％；
所述TiB/TA15钛基复合材料的室温拉伸强度为1190～1280MPa，延伸率为4～8％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述真空除气为：先在室温下进行真空除气至钢包套内的真空度达到10-2Pa以下，然后在350～450℃继续进行真空除气至钢包套内的真空度达到10-3Pa以下，再在550～650℃继续进行真空除气至钢包套内的真空度再次达到10-3Pa以下。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述钢包套为不锈钢包套或低碳钢包套。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
通过旋转电极或气雾化方式进行制粉；和/或
所述钛基复合粉末的粒径为20～250μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述真空热压烧结的温度为1100～1300℃，所述真空热压烧结的压力为20～40MPa，所述真空热压烧结的时间为0.5～2h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述低温热等静压处理的压力为100～150MPa；和/或
以5～15℃/min的升温速率升温至所述低温热等静压处理的温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
采用硝酸溶液进行所述酸洗脱模，所述硝酸溶液的浓度为20～50vol.％。
8.一种TiB/TA15钛基复合材料，其特征在于：采用权利要求1至7中任一项所述的低温热等静压制备钛基复合材料的方法制备得到。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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