CN115846671A

CN115846671A - 一种具有多态多尺度钛合金的制备方法

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Publication number: CN115846671A
Application number: CN202310182219.7A
Authority: CN
Inventors: 张洪梅; 王浩; 程兴旺; 常硕; 穆啸楠
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2023-03-01
Filing date: 2023-03-01
Publication date: 2023-03-28
Anticipated expiration: 2043-03-01
Also published as: CN115846671B

Abstract

本发明涉及钛合金技术领域，尤其涉及一种具有多态多尺度钛合金的制备方法。本发明提供了一种具有多态多尺度钛合金的制备方法，包括以下步骤：将球形钛源粉末进行球磨，得到片状粉末；将所述片状粉末和所述球形钛源粉末进行铺叠后，进行快速热压烧结处理，得到所述具有多态多尺度钛合金；所述快速热压烧结处理的升温速率为100~300℃/min。所述制备方法具有较好的界面结合性能。

Description

一种具有多态多尺度钛合金的制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金技术领域，尤其涉及一种具有多态多尺度钛合金的制备方法。

背景技术

钛及钛合金由于具有密度低、比强度高等特点，首先广泛应用于航空航天等军事领域，并逐渐向汽车、电子和生物骨骼等领域扩展，因此，引起各国的研究人员的广泛关注。但是由于服役条件的越发苛刻，具有单一尺度、组织形态的钛和钛合金的力学性能难以满足使用要求，这导致了钛和钛合金的使用受到了限制。

通过在钛合金中添加合金元素，可以制备出具有高强的钛合金。然后这些钛合金往往只具有较高强度，但是同时塑性较低。如何制备具有强塑性匹配的钛合金是人们关注的焦点，目前通过将两种不同性能的组分结合成复合材料是解决上述问题的有效方法之一。复合材料可以结合各组元的优点，获得单一材料不具备的性能。层合材料就是将不同性能的材料按照一定的顺序叠放然后复合起来。如公开号为CN111251691A的中国专利公开了一种多尺度结构钛合金材料的制备方法，其是将粗晶与纳米细晶钛板交替叠层排列，再经过烧结与低温轧制制备成微纳米叠层结构。通过制备出不同晶粒尺度的钛合金，可以同时发挥纳米细晶粒的高强度和微米粗晶粒的高塑性的优点。但是通过这种办法制备得到的层合材料由于采用的是同一种钛板仅仅是晶粒大小不一样，故而复合成的层合材料性能提升不是很明显。而如果将不同类型的钛板复合一起，往往会因为不同钛板具有不同的元素或元素相同，含量不同，在复合成型的时候由于元素扩散，在界面处生成金属间化合物，从而造成较弱的界面结合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有多态多尺度钛合金的制备方法，所述制备方法具有较好的界面结合性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种具有多态多尺度钛合金的制备方法，包括以下步骤：

将球形钛源粉末进行球磨，得到片状粉末；

将所述片状粉末和所述球形钛源粉末进行铺叠后，进行快速热压烧结处理，得到所述具有多态多尺度钛合金；

所述快速热压烧结处理的升温速率为100~300℃/min。

优选的，所述球形钛源粉末的粒径≤60μm；

所述球形钛源粉末包括球形钛粉末或球形钛合金粉末。

优选的，所述球磨的转速为300~600r/min，球料比为（15~50）：1，时间为8~36h，采用的磨球的直径为3~10mm；

所述球磨的方式为湿法球磨，所述湿法球磨的球磨介质为无水乙醇。

优选的，所述球磨后，还包括依次进行的清洗、旋蒸和干燥。

优选的，所述片状粉末和所述球形钛源粉末的质量比为（1~10）：1。

优选的，所述快速热压烧结处理的方式包括放电等离子烧结或快速热压烧结。

优选的，所述快速热压烧结处理的温度为850~950℃，压力为20~80MPa，时间为5~30min。

本发明提供了一种具有多态多尺度钛合金的制备方法，包括以下步骤：将球形钛源粉末进行球磨，得到片状粉末；将所述片状粉末和所述球形钛源粉末进行铺叠后，进行快速热压烧结处理，得到所述具有多态多尺度钛合金；所述快速热压烧结处理的升温速率为100~300℃/min。本发明利用高能球磨、烧结技术两者结合共同制得高性能钛合金材料；其中，通过球磨制备片状钛合金粉磨；利用烧结制备高致密度的烧结块体，降低组织内的孔隙率，提高钛合金的强度与塑性；同时，所述制备方法充分解决了单一钛合金材料强塑性不匹配的问题；所述制备方法制备得到的钛合金材料界面处无孔洞，没有传统层状复合材料的界面元素分布不均的问题，界面结合牢固，同时具有片状粉的高强度和球形粉的高塑性优点，具有广阔的应用前景；同时利用所述制备方法制备得到的钛合金中，片状粉一侧形成了具有细小晶粒的等轴α相组织，而球形粉一侧形成了具有粗大晶粒的魏氏体组织，通过在同一块体中制备了两种不同尺度以及两种不同组织形态的钛合金，显著提升所述钛合金的综合力学性能；最后本发明所述制备方法简单易行，周期短，实用性强，有利于工业化。

附图说明

图1为实施例1制备得到的F-TC4粉末的场发射扫描电子显微镜（SEM）微观组织形貌图；

图2为实施例1制备得到的具有多态多尺度钛合金的场发射扫描电子显微镜（SEM）微观组织形貌图；

图3为实施例1制备得到的具有多态多尺度钛合金界面处的X射线能谱图（EDS）。

具体实施方式

本发明提供了一种具有多态多尺度钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将球形钛源粉末进行球磨，得到片状粉末；

所述快速热压烧结处理的升温速率为100~300℃/min。

在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。

本发明将球形钛源粉末进行球磨，得到片状粉末。

在本发明中，所述球形钛源粉末的粒径优选≤60μm；所述球形钛源粉末包括球形钛粉末或球形钛合金粉末。

在本发明中，所述球磨的方式优选为湿法球磨，所述湿法球磨的球磨介质为无水乙醇；本发明对所述无水乙醇的用量没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的用量即可。在本发明中，所述球磨采用的磨球的直径优选为3~10mm，更优选为4~8mm，最优选为5~6mm；球料比优选为（15~50）：1，更优选为（20~40）：1，最优选为（25~35）：1；所述球磨的时间优选为8~36h，更优选为10~30h，最优选为15~25h；所述球磨的转速为300~600r/min，优选为350~550r/min，更优选为400~500r/min。

在本发明中，所述球磨的上述参数可以使得粉末在磨球的高速撞击下迅速的变形，经过“微轧制”后粉末的形状从球状变成片状，最终粉末晶粒得到细化。

所述湿法球磨完成后，本发明还优选包括将得到的混合浆料进行清洗；

所述清洗采用的清洗剂优选为无水乙醇，所述清洗的次数优选为3~10次，更优选为4~5次。

在本发明中，所述清洗的作用是去除球磨过程中引入的氧化物等杂质，进而大大增加钛基复合材料的脆性。通过反复的清洗去除了杂质。

所述清洗完成后，还优选包括依次进行的旋蒸和干燥；本发明对所述旋蒸和干燥的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。

得到所述片状粉末后，本发明将所述片状粉末和所述球形钛源粉末进行铺叠后，进行快速热压烧结处理，得到所述具有多态多尺度钛合金。

在本发明中，所述片状粉末和所述球形钛源粉末的质量比优选为（1~10）：1，更优选为（2~8）：1，最优选为（4~6）：1。

在本发明中，所述铺叠的过程优选为以球形钛源粉末在下层，片状粉末在上层的顺序，将所述片状粉末和所述球形钛源粉末放入圆柱形石墨模具中。在本发明的实施例中，所述圆柱形石墨模具的内径为30mm。

在本发明中，所述片状粉作为制备钛合金的硬质层，由于钛合金粉末在球磨过程中发生晶粒细化，而由霍尔佩奇关系式可知，晶粒的显著细化有利于强度的提升，所以这种结构的材料具有较高的强度跟硬度。再将球形粉末作为制备钛合金的软质层，使钛合金具有较好的塑性。

在本发明中，所述快速热压烧结处理的方式优选为放电等离子烧结或快速热压烧结。

在本发明中，所述快速热压烧结处理的温度优选为850~950℃，更优选为880~920℃，最优选为890~910℃；升温速率为100~300℃/min，优选为100~200℃/min；压强优选为20~80MPa，更优选为30~70MPa，最优选为40~60MPa；时间优选为5~30min，更优选为10~25min，最优选为15~20min。

在本发明中，所述快速热压烧结处理的过程优选为将装有混合粉末的圆柱形石墨模具置于快速热压烧结系统中进行烧结。

在本发明中，所述快速热压烧结处理后，片状粉末会表现出与球形粉不一样的组织和更优异的力学性能。

下面结合实施例对本发明提供的钛基复合材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

注：实施例1~3和对比例1~2球形Ti₆Al₄V（S-TC4）粉均购自北京兴荣源有限公司，为近球形，粒径为15~60μm，平均粒径为40μm，纯度大于等于99.9wt%；

片状Ti₆Al₄V（F-TC4）粉由所述S-TC4通过高速球磨获得，颗粒形状为圆饼状；

无水乙醇由北京市通广精细化工公司生产；

快速热压烧结系统购于苏州哈腾公司FHP-828。

实施例1

将20g S-TC4粉加入球磨机的球磨罐中，并按球料比15:1加入直径为3mm的磨球，加入过量的无水乙醇；在300r/min的转速下，球磨36h，得到含有F-TC4粉末的混合浆料；

将所述含有F-TC4粉末的混合浆料静置，去除所述混合泥浆上层的悬浊液，加入无水乙醇清洗10次，每次清洗完都倒掉上层的悬浊液，以去除氧化物，再将清洗后的浆料倒入真空旋转蒸发仪中进行旋转蒸发，干燥，得到F-TC4粉末（SEM图如图1所示，由图1可知，此时的钛合金粉末为片状，表面干净无氧化物附着）；

按照1：1的质量比，将F-TC4和S-TC4粉末进行铺叠，放入内径为30mm的圆柱形石墨模具中，其中S-TC4粉末置于下层，F-TC4粉末置于上层，再将模具放入快速热压烧结系统中进行烧结，其中烧结温度为850℃（升温速率为100℃/min），烧结压力为80MPa，保温时间为30min，取出烧结后得到的复合材料块体，经过砂纸打磨去除块体的表面的石墨纸，得到所述具有多态多尺度钛合金。

实施例2

将20g S-TC4粉加入球磨机的球磨罐中，并按球料比25:1加入直径为5mm的磨球，加入过量的无水乙醇；在400r/min的转速下，球磨24h，得到含有F-TC4粉末的混合浆料；

将所述含有F-TC4粉末的混合浆料静置，去除所述混合泥浆上层的悬浊液，加入无水乙醇清洗5次，每次清洗完都倒掉上层的悬浊液，以去除氧化物，再将清洗后的浆料倒入真空旋转蒸发仪中进行旋转蒸发，干燥，得到F-TC4粉末；

按照5：1的质量比，将F-TC4和S-TC4粉末进行铺叠，放入内径为30mm的圆柱形石墨模具中，其中S-TC4粉末置于下层，F-TC4粉末置于上层，再将模具放入快速热压烧结系统中进行烧结，其中烧结温度为900℃（升温速率为100℃/min），烧结压力为50MPa，保温时间为15min，取出烧结后得到的复合材料块体，经过砂纸打磨去除块体的表面的石墨纸，得到所述具有多态多尺度钛合金。

实施例3

将20g S-TC4粉加入球磨机的球磨罐中，并按球料比50:1加入直径为10mm的磨球，加入过量的无水乙醇；在600r/min的转速下，球磨8h，得到含有F-TC4粉末的混合浆料；

将所述含有F-TC4粉末的混合浆料静置，去除所述混合泥浆上层的悬浊液，加入无水乙醇清洗3次，每次清洗完都倒掉上层的悬浊液，以去除氧化物，再将清洗后的浆料倒入真空旋转蒸发仪中进行旋转蒸发，干燥，得到F-TC4粉末；

按照10：1的质量比，将F-TC4和S-TC4粉末进行铺叠，放入内径为30mm的圆柱形石墨模具中，其中S-TC4粉末置于下层，F-TC4粉末置于上层，再将模具放入快速热压烧结系统中进行烧结，其中烧结温度为950℃（升温速率为100℃/min），烧结压力为20MPa，保温时间为5min，取出烧结后得到的复合材料块体，经过砂纸打磨去除块体的表面的石墨纸，得到所述具有多态多尺度钛合金。

对比例1

将20g粒径为15μm~60μm的球形S-TC4粉末放入内径为30mm的圆柱形石墨模具中，再放入快速热压烧结系统中，其中烧结温度为850℃（升温速率为100℃/min），烧结压力为80MPa，保温时间为30min，取出烧结后得到的复合材料块体，经过砂纸打磨去除块体的表面的石墨纸，得到S-TC4坯体。

对比例2

将20g由实施例1中制备的片状F-TC4粉末放入内径为30mm的圆柱形石墨模具中，再放入快速热压烧结系统中，其中烧结温度为850℃（升温速率为100℃/min），烧结压力为80MPa，保温时间为30min，取出烧结后得到的复合材料块体，经过砂纸打磨去除块体的表面的石墨纸，得到所述F-TC4坯体。

测试例

将实施例1~3和对比例1~2所述钛基复合材料进行微观组织观察（采用场发射扫描电子显微镜（SEM,Hitachi S-4800N,Hitachi,Japan））：

其中，图2为实施例1制备得到的具有多态多尺度钛合金的场发射扫描电子显微镜（SEM）微观组织形貌图，由图2可知，所述具有多态多尺度钛合金左侧为细小的等轴晶组织，右侧为粗大的魏氏体组织；

图3为实施例1制备得到的具有多态多尺度钛合金界面处的X射线能谱图（EDS），由图3可知，所述具有多态多尺度钛合金具有较好的界面结合，良好的界面强度，在材料加载时不会提前时效；

将实施例1~3和对比例1~2所述具有多态多尺度钛合金进行力学性能测试；测试结果为：实施例1所述具有多态多尺度钛合金的力学性能：抗压强度为2222MPa，屈服强度为1289MPa，断裂应变为29%；实施例2所述具有多态多尺度钛合金的力学性能：抗压强度为2455MPa，屈服强度为1181MPa，断裂应变为39%；实施例3所述具有多态多尺度钛合金的力学性能：抗压强度为2101MPa,，屈服强度为996 MPa，断裂应变为34%。对比例1所述S-TC4坯体的抗压强度为1607MPa,，屈服强度为741MPa，断裂应变为28%。对比例2所述F-TC4坯体的抗压强度为2102MPa,，屈服强度为1571 MPa，断裂应变为16%。与对比例1和2相比，实施例1、2和3制备的具有多态多尺度钛合金较对比例1来说抗压强度大幅提高，而塑性相较于对比例2也大幅提高，这是由于通过结构设计，实施例在保留了片状粉提供的高强度的同时，又能保留球形粉提供塑性；另外由于采用的是同一种钛合金粉末，界面处无孔洞产生，界面元素分布均匀，而较好的界面剂结合使得制备的钛合金具有良好的界面强度，在材料加载时不会提前时效。上述因素综合使得所述具有多态多尺度钛合金在提高强度的同时，塑性还能维持在较高的水平。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有多态多尺度钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将球形钛源粉末进行球磨，得到片状粉末；

所述快速热压烧结处理的升温速率为100~300℃/min。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球形钛源粉末的粒径≤60μm；

所述球形钛源粉末包括球形钛粉末或球形钛合金粉末。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的转速为300~600r/min，球料比为（15~50）：1，时间为8~36h，采用的磨球的直径为3~10mm；

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨后，还包括依次进行的清洗、旋蒸和干燥。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述片状粉末和所述球形钛源粉末的质量比为（1~10）：1。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述快速热压烧结处理的方式包括放电等离子烧结或快速热压烧结。

7.如权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述快速热压烧结处理的温度为850~950℃，压力为20~80MPa，时间为5~30min。