CN116689924A - 基于电阻缝焊工艺的钛基复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于电阻缝焊工艺的钛基复合材料及其制备方法与应用，涉及电阻缝焊增材制备的技术领域。所述制备方法包括以下步骤：将氢化脱氢钛粉与TiB2粉末混合球磨制得混合粉末；其中，所述混合粉末中氢化脱氢钛粉的质量百分数为90～99.5％，余量为TiB2粉末；将所述混合粉末置于真空环境中干燥处理制得复合改性粉末；将所述复合改性粉末填充于电阻缝焊设备上进行表面逐层堆焊制得钛基复合材料。本发明中的制备方法通过采用成本低廉的氢化脱氢钛作为原料能够降低成本，并且采用电阻缝焊工艺后所制得的钛基复合材料具有优异的力学性能和质量。
Description
技术领域
本发明涉及电阻缝焊增材制备的技术领域，尤其涉及一种基于电阻缝焊工艺的钛基复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
在传统的增材制造技术中，例如选择性激光熔化技术和电子束熔化技术，利用高能光束作为热源将材料逐层熔化凝固来制造具有复杂形状的构件。然而，这些技术制备的材料虽然具有与锻造件相似的强度，却存在凝固组织缺陷，导致构件的塑性和疲劳性能较低。
钛合金因其具有低密度、高比强度、优良的高低温性能和耐蚀性，被广泛应用于航空航天、汽车以及能源等领域。在科技不断发展和应用领域需求不断提高的背景下，传统的钛及钛合金材料已经无法完全满足需求，因此迫切需要对钛合金材料进行进一步改进。
然而由于对钛合金材料进行改进时，往往会在钛合金材料内部加入TiB、TiC和SiC等陶瓷增强相，以提高钛合金材料的性能，然而这些增强相的加入给本身加工性不佳的钛合金的加工带来了更大的挑战。因此亟需提供一种方案改善这一问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电阻缝焊工艺的钛基复合材料及其制备方法与应用，通过采用成本低廉的氢化脱氢钛作为原料能够降低成本，并且采用电阻缝焊工艺后所制得的钛基复合材料具有优异的力学性能和质量。
第一方面，本发明提供的一种基于电阻缝焊工艺的钛基复合材料，包括以下步骤：
将氢化脱氢钛粉与TiB2粉末混合球磨制得混合粉末；其中，所述混合粉末中氢化脱氢钛粉的质量百分数为90～99.5％，余量为TiB2粉末；
将所述混合粉末置于真空环境中干燥处理制得复合改性粉末；
将所述复合改性粉末填充于电阻缝焊设备上进行表面逐层堆焊制得钛基复合材料。
本发明提供的一种基于电阻缝焊工艺的钛基复合材料的有益效果在于：经过球磨后，原本形状不规则的氢化脱氢钛粉被整形为球形或近球形形态，并且原本分散分布的TiB2粉末能够包裹在钛粉的外周，得复合改性粉末，在经过电阻缝焊工艺制得钛基复合材料后，在钛基复合材料内部均匀分散有晶须状的TiB增强相，该复合材料的结构具有优异的力学性能，并且还能够提高复合材料的强度和耐疲劳性能。此外球磨处理还能够提高复合改性粉末的流动性和均匀性，有利于提高电阻缝焊工艺制造过程中的效率和质量；并且由于氢化脱氢钛粉的成本显著低于球形钛粉，能够降低钛基复合材料的制造成本。
可选地，执行将氢化脱氢钛粉与TiB2粉末混合球磨制得混合粉末的步骤过程中，所述氢化脱氢钛粉的粒径为20～100μm，所述TiB2粉末的粒径为0.5～2μm。
可选地，执行将氢化脱氢钛粉与TiB2粉末混合球磨制得混合粉末的步骤过程中包括，将所述氢化脱氢钛粉与所述TiB2粉末混合，在保护气氛中球磨。
可选地，执行将氢化脱氢钛粉与TiB2粉末混合球磨制得混合粉末的步骤过程中包括，将所述氢化脱氢钛粉和TiB2粉末混合后制得初混粉末，将初混粉末与分散剂混合后球磨制得混合粉末；其中，所述分散剂占所述初混粉末的质量百分比为0.1-1％。
可选地，执行将氢化脱氢钛粉与TiB2粉末混合球磨制得混合粉末的步骤过程中，球磨参数为：球料比5：1、球磨转速150-250rpm和球磨时长2-6h，且每球磨0.5h停转10min。
可选地，执行将所述混合粉末置于真空环境中干燥处理制得复合改性粉末的过程中包括，控制真空干燥参数为：温度60-80℃、干燥时长6-8h和真空度10-1～10-3Pa。
可选地，执行将所述复合改性粉末填充于电阻缝焊设备上进行表面逐层堆焊制得钛基复合材料的步骤过程中，控制电阻缝焊设备的参数为：焊接电流0.1～18kA、焊接速度0.1～5m/s、电极压力0.1～6.3kN、上电极行程0.1～80mm和焊接频率50Hz。
第二方面，本发明还提供一种上述任一可选制备方法所制备的钛基复合材料。
第三方面，本发明还提供一种上述任一可选制备方法所制备的钛基复合材料的应用。
可选地，所述钛基复合材料应用于航空航天、汽车和能源领域制备结构件、零部件和耐磨材料。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于电阻缝焊工艺的钛基复合材料制备方法的流程框图；
图2为本发明实施例中制备方法各原料的形态变化示意图；
图3为本发明实施例1中钛基复合材料的微观形貌图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中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作出创造性劳动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。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
参见图1，本发明实施例提供了一种基于电阻焊缝工艺的钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、球磨混粉：将氢化脱氢钛粉与TiB2粉末混合后球磨制得混合粉末；其中，混合粉末中氢化脱氢钛粉的质量百分数为90～99.5％，余量为TiB2粉末；
S2、真空干燥：将混合粉末置于真空环境中进行干燥处理制得复合改性粉末；
S3、电阻增材：将复合改性粉末填充于电阻缝焊设备上进行表面逐层堆焊制得钛基复合材料。
具体的，TiB2与氢化脱氢钛粉发生如下反应：Ti+TiB2＝2TiB。
参见图2，经过步骤S1和步骤S2后，原本形状不规则的氢化脱氢钛粉被整形为球形或近球形形态，并且原本分散分布的TiB2粉末能够包裹在钛粉的外周，制得复合改性粉末，在经过电阻缝焊工艺制得钛基复合材料后，在钛基复合材料内部均匀分散有晶须状的TiB增强相，该复合材料的结构具有优异的力学性能，并且还能够提高复合材料的强度和耐疲劳性能。此外球磨处理还能够提高复合改性粉末的流动性和均匀性，有利于提高电阻缝焊工艺制造过程中的效率和质量。
一些实施例中，氢化脱氢钛粉为原始海绵钛经过与氢气反应并除氢粉碎后制备所得，其内元素成分和含量如下：0.245at.％的O、0.007at.％的N、0.032at.％的C、0.018at.％的H、0.020at.％的Fe和余量的Ti。
一些实施例中，执行步骤S1时，氢化脱氢钛粉的粒径为20～100μm，TiB2粉末的粒径为0.5～2μm。
一些实施例中，执行步骤S1时包括，将氢化脱氢钛粉与TiB2粉末混合后，在保护气氛中球磨制得混合粉末。
一些进一步的实施例中，保护气氛是惰性气体，例如氩气。
一些实施例中，执行步骤S1时包括，将氢化脱氢钛粉和TiB2粉末混合后制得初混粉末，将初混粉末与分散剂混合后球磨制得混合粉末。
一些进一步的实施例中，分散剂占初混粉末的质量百分比为0.1-1％。具体的，分散剂可以选用硬脂酸。
一些实施例中，执行步骤S1时，控制球磨参数为：球料比5：1、球磨转速150-250rpm和球磨时长2-6h，且每球磨0.5h停转10min。
一些实施例中，执行步骤S2时，将混合粉末转移至真空干燥箱中进行真空干燥处理，并控制真空干燥参数为：温度60-80℃、干燥时长6-8h和真空度10-1～10-3Pa。
一些实施例中，执行步骤S3时，控制电阻缝焊设备的参数为：焊接电流0.1～18kA、焊接速度0.1～5m/s、电极压力0.1～6.3kN、上电极行程0.1～80mm和焊接频率50Hz。
一些实施例中，执行步骤S3时，预先将复合改性粉末转移至电阻缝焊设备的加热腔体内进行预热。
本发明还提供一种上述任一实施例中所制备的钛基复合材料。
本发明还提供一种上述任一实施例中所制备的钛基复合材料的应用。具体的，可以应用于航空航天、汽车和能源领域制备结构件、零部件和耐磨材料。
实施例1
本实施例1提供一种基于电阻缝焊工艺的钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、球磨混粉：将950g粒径为40-90μm的氢化脱氢钛粉与50g粒径为0.5-1μm的TiB2粉末混合后，投入预置有5kg玛瑙球的球磨机中，在球磨机中充入氩气气氛，并在球磨机中加入0.3wt.％硬脂酸与混合粉末混合，设置球磨转速为250rpm，球磨时间为6h，且每球磨0.5h停转10min；
S2、真空干燥：将球磨后的混合粉末转移至真空干燥箱中，在60℃、真空度5×10- 2Pa的环境中干燥8h后，取出制得复合改性粉末；
S3、电阻增材：将复合改性粉末预置在电阻缝焊设备平台上，设置缝焊参数为：焊接电流18kA、焊接速度5m/s、电极压力5kN、上电极行程60mm和频率50Hz，通过表面逐层堆焊的方式，制得钛基复合材料。
实施例2
本实施例2提供的一种基于电阻缝焊工艺的钛基复合材料的制备方法，与实施例1的不同之处在于步骤S3中，设置缝焊参数焊接速度为10m/s。
实施例3
本实施例3提供一种基于电阻缝焊工艺的钛基复合材料的制备方法，与实施例1的不同之处在于步骤S1中，将995g氢化脱氢钛粉与5gTiB2粉末混合进行球磨；步骤S3中，设置缝焊参数焊接速度为10m/s。
性能检测
对上述实施例1-3中的钛基复合材科进行微焦点CT三维扫描结果后，可知打印件的致密度已经均高于99.7％。对上述实施例1-3中的钛基复合材料进行表面打磨抛光，并基于GB/T4340.1-2009进行维氏硬度测试，其测试结果如下表1所示；将上述实施例1-3中的钛基复合材料制成标准拉伸式样，并基于GB/T228.1-2010进行室温拉伸测试，测试结果如表1所示。
表1实施例1-3中的基复合材料力学性能测试结果
| 维氏硬度/Hv | 抗拉强度/MPa | 延伸率/％ | |
| 实施例1 | 478 | 1305 | 0.5 |
| 实施例2 | 445 | 1278 | 1.3 |
| 实施例3 | 397 | 1136 | 7 |
参见图3，实施例1中的钛基复合材料具有晶须状的TiB增强相，因此能够有效提升自身的力学性能(硬度和抗拉强度)。参见表1，结合实施例1和实施例3可知，增加钛基复合材料中TiB2的添加量，能够提高钛基复合材料的硬度和抗拉强度，但会造成自身延伸率下降；结合实施例1和实施例2可知，通过改变缝焊时的焊接速率，能够提高复合材料的延伸率，但会导致硬度和抗拉强度有略微下降。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (10)
1.一种基于电阻缝焊工艺的钛基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将氢化脱氢钛粉与TiB2粉末混合球磨制得混合粉末；其中，所述混合粉末中氢化脱氢钛粉的质量百分数为90～99.5％，余量为TiB2粉末；
将所述混合粉末置于真空环境中干燥处理制得复合改性粉末；
将所述复合改性粉末填充于电阻缝焊设备上进行表面逐层堆焊制得钛基复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，执行将氢化脱氢钛粉与TiB2粉末混合球磨制得混合粉末的步骤过程中，所述氢化脱氢钛粉的粒径为20～100μm，所述TiB2粉末的粒径为0.5～2μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，执行将氢化脱氢钛粉与TiB2粉末混合球磨制得混合粉末的步骤过程中包括，将所述氢化脱氢钛粉与所述TiB2粉末混合，在保护气氛中球磨。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，执行将氢化脱氢钛粉与TiB2粉末混合球磨制得混合粉末的步骤过程中包括，将所述氢化脱氢钛粉和TiB2粉末混合后制得初混粉末，将初混粉末与分散剂混合后球磨制得混合粉末；其中，所述分散剂占所述初混粉末的质量百分比为0.1-1％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，执行将氢化脱氢钛粉与TiB2粉末混合球磨制得混合粉末的步骤过程中包括，球磨参数为：球料比5：1、球磨转速150-250rpm和球磨时长2-6h，且每球磨0.5h停转10min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，执行将所述混合粉末置于真空环境中干燥处理制得复合改性粉末的过程中包括，控制真空干燥参数为：温度60-80℃、干燥时长6-8h和真空度10-1～10-3Pa。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，执行将所述复合改性粉末填充于电阻缝焊设备上进行表面逐层堆焊制得钛基复合材料的步骤过程中，控制电阻缝焊设备的参数为：焊接电流0.1～18kA、焊接速度0.1～5m/s、电极压力0.1～6.3kN、上电极行程0.1～80mm和焊接频率50Hz。
8.一种如权利要求1至7任一项所述制备方法所制备的钛基复合材料。
9.一种如权利要求1至7任一项所述制备方法所制备的钛基复合材料的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述钛基复合材料应用于航空航天、汽车和能源领域制备结构件、零部件和耐磨材料。
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