CN117363925A - 一种低成本高性能高耐磨钛基复合材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本高性能高耐磨钛基复合材料制备方法。包括如下步骤：首先进行配料，熔炼，制备铸锭，原料包括占总重量2％‑8％的高纯度Cr3C2粉末，占总重量2％‑6％的高纯Al豆和高纯Al箔，余量为0级海绵钛颗粒，Cr3C2粉末使用纯铝箔进行包裹后熔炼；然后对铸锭表面进行机械打磨并涂覆高温抗氧化涂料，随后在β相区进行开坯锻造，锻造总变形量不低于70％，获得钛基复合材料锻坯；步骤三：对钛基复合材料锻坯表面进行机械打磨并涂覆高温抗氧化涂料，随后在α+β相区进行锻造，锻造总变形量不低于70％，获得钛基复合材料棒材。本发明提供具有高性能和高耐磨的钛基复合材料，致密度高，无孔隙夹杂等缺陷，具有优异的强度塑性匹配；工艺简单、成本低。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种低成本高性能钛基复合材料板材制备方法。
背景技术
具有高强度、高韧性、低密度、耐腐蚀等优点的钛合金，是航空航天、深海工程、兵器装备等领域中理想的金属结构材料。但是，钛合金的硬度不高，且在滑动摩擦、滚动摩擦等载荷条件下的耐磨性较差，难以满足航空航天、兵器装备等领域对钛合金结构件提出的高性能、高耐磨的服役要求。相比于传统钛合金而言，含有增强相的钛基复合材料，在满足高强度、高韧性、低密度、耐腐蚀等性能优点的同时，还能提供更高的硬度、弹性模量以及更加优异的耐磨性和热强性。因此，具有优异综合力学性能的钛基复合材料，是航空航天、国防军事、海洋工程等领域高速发展过程中具有重大应用前景的金属结构材料。
钛基复合材料的强化机制，主要是源于增强相产生的强化作用。钛基复合材料中引入增强相的常用方法主要有粉末冶金法和熔铸法。粉末冶金法包括合金粉体制备、混粉、锭坯压制成型、锭坯烧结，是将金属粉体与增强相粉体均匀混合后压入磨具成型，然后烧结成钛基复合材料结构件，该方法对金属粉体与增强相粉体的质量要求较高，显著增加了生产成本，并且增强相与钛基体之间界面结合较弱，增强相容易发生团聚，会严重恶化钛基复合材料综合性能。熔铸法是将合金原料与增强相粉体均匀混合后进行高温加热熔化，通过原位反应的方式在钛基体中形成新的增强相，该方法制备的钛基复合材料中增强相的尺寸和均匀性不易得到控制。
综上，现有技术面临制备工艺复杂、生产成本高、性能均匀性低等诸多难题，亟需开发一种低成本高性能高耐磨的钛基复合材料。
发明内容
本发明提供一种低成本高性能高耐磨钛基复合材料制备方法，以解决现有技术存在的生产成本高、工艺复杂和组织性能不均匀的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种低成本高性能高耐磨钛基复合材料制备方法，包括以下步骤：
步骤一：配料，熔炼，制备铸锭，所述原料包括占总重量2％-8％的高纯度Cr3C2粉末，占总重量2％-6％的高纯Al豆和高纯Al箔，余量为0级海绵钛颗粒，所述Cr3C2粉末使用纯铝箔进行包裹后熔炼；
步骤二：对钛基复合材料铸锭表面进行机械打磨并涂覆高温抗氧化涂料，随后在β相区进行开坯锻造，锻造总变形量不低于70％，获得钛基复合材料锻坯；
步骤三：对步骤二获得钛基复合材料锻坯表面进行机械打磨并涂覆高温抗氧化涂料，随后在α+β相区进行锻造，锻造总变形量不低于70％，获得钛基复合材料棒材。
进一步的，上述0级海绵钛颗粒的纯度≥99.97％，0级海绵钛颗粒的粒径为2-10mm，所述高纯Cr3C2粉末的纯度≥99.95％，高纯Cr3C2粉末的粒径为0.325mm，所述高纯Al豆的纯度≥99.97％，高纯Al豆的粒径为5-10mm，所述高纯Al箔的纯度≥99.97％，铝箔的厚度为0.2mm。
进一步的，上述步骤一中，采用真空感应悬浮熔炼炉进行钛基复合材料熔炼，熔炼前，将熔炼炉内部抽至真空度为3-5×10-3Pa，并充入高纯氩气进行气氛保护，熔炼时的感应电源功率为200-400kW，熔炼总时长为30-50min。
进一步的，上述熔炼时，将感应电源功率调至300kW后保持10min，然后将感应电源功率调至220kW后保持10min，随后将感应电源功率调至100kW后保持10min，最后将感应电源功率调至30kW后保持10min，随后关闭感应电源并结束熔炼，等待试样炉冷至室温，得到钛基复合材料铸锭。
进一步的，上述步骤二中，将钛基复合材料铸锭在β相区进行开坯锻造，对铸锭进行三墩三拔，将铸锭锻造成50mm×50mm×80mm的钛基复合材料锻坯；所述在β相区进行开坯锻造的温度为1150℃，开坯锻造前的保温时间为1.5-2.5h。
进一步的，上述步骤三中，将钛基复合材料锻坯在α+β相区进行锻造，对步骤二中所述锻坯进行三墩三拔，将其锻造成25mm×25mm×300mm的钛基复合材料方形棒材；所述在α+β相区锻造的温度为900℃，锻造前的保温时间为1.5-2.5h。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过向Ti基体中添加不同材料产生多种强化作用实现钛基复合材料优异的力学性能，添加Al豆、Al箔产生Al元素固溶强化机制，Cr3C2中C元素与基体Ti原位反应生成增强相TiC产生第二相强化机制，同时Cr3C2中Cr元素固溶于基体Ti中产生固溶强化机制，使得所制备的钛基复合材料具有优异的力学性能；本发明所采用原料纯Al豆、纯Al箔以及Cr3C2粉末均为廉价材料，在实现钛基复合材料优异力学性能的同时大幅降低原料成本；
2、本发明的熔炼首先在高纯氩气气的氛条件下进行，能够避免钛基复合材料中引入空气中杂质元素；选用特定的熔炼条件，能够使原料完全熔化，保证钛基复合材料铸锭成分均匀。然后通过先后在β相区和α+β相区进行锻造，能够解决钛基复合材料中增强相分布不均匀的问题，可以实现钛基复合材料中增强相的均匀分布，显著改善钛基复合材料组织的均匀性；与粉末冶金法制备钛基复合材料工艺相比，本发明的工艺简单、成本更低；
3、本发明制备的钛基复合材料致密度更高，无孔隙、夹杂等缺陷；本发明制备的钛基复合材料室温拉伸强度可达895MPa，断后伸长率达到16％，具有优异的强度塑性匹配。
附图说明
图1为本发明实施例1的钛基复合材料方形棒材的宏观照片。
图2为本发明实施例1的钛基复合材料的合金组织SEM照片。
图3为本发明实施例1的钛基复合材料的室温拉伸性能。
图4为本发明实施例2的钛基复合材料的摩擦磨损性能。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
实施例1，一种低成本高性能高耐磨钛基复合材料制备方法，包括以下步骤：
步骤一：按重量百分比配制含有纯钛、碳化铬、纯铝、纯铝箔的钛基复合材料原料包，其中碳化铬粉末使用纯铝箔进行包裹。本实施例中，所述原料包括占总重量4％的高纯度Cr3C2粉末，各占总重量1％的高纯Al豆和高纯Al箔，余量为0级海绵钛颗粒；所述0级海绵钛颗粒的纯度≥99.97％，0级海绵钛颗粒的粒径为2-10mm，所述高纯Cr3C2粉末的纯度≥99.95％，高纯Cr3C2粉末的粒径为0.325mm，所述高纯Al豆的纯度≥99.97％，高纯Al豆的粒径为5-10mm，所述高纯Al箔的纯度≥99.97％，铝箔的厚度为0.2mm。采用真空感应悬浮熔炼炉进行钛基复合材料熔炼，熔炼炉内真空度为5×10-3Pa，熔炼时充入氩气进行气氛保护，熔炼时的感应电源功率为300kW，熔炼总时长为40min，将感应电源功率调至300kW后保持10min，然后将感应电源功率调至220kW后保持10min，随后将感应电源功率调至100kW后保持10min，最后将感应电源功率调至30kW后保持10min，随后关闭感应电源并结束熔炼，等待试样炉冷至室温，得到钛基复合材料铸锭；
步骤二：对钛基复合材料铸锭表面进行机械打磨并涂覆高温抗氧化涂料，随后在β相区进行开坯锻造。开坯锻造前，将铸锭在β相区1150℃保温2h，然后采用三墩三拔工艺进行锻造，锻造总变形量不低于70％，将铸锭锻造成50mm×50mm×80mm的钛基复合材料锻坯；
步骤三、将步骤二获得的50mm×50mm×80mm钛基复合材料锻坯表面进行机械打磨并涂覆高温抗氧化涂料，随后在α+β相区进行锻造。锻造前将锻坯在900℃保温2h，随后采用三墩三拔工艺进行锻造，锻造总变形量不低于70％，将其锻造成25mm×25mm×300mm的钛基复合材料方形棒材。
从图1可以看出，本发明实施例1制备的钛基复合材料棒材外观完好，无表面裂纹、孔洞等表面缺陷，钛基复合材料棒材表面质量高。
从图2可以看出，本发明实施例1制备的钛基复合材料中的增强相分布均匀。
从图3可以看出，本发明实施例1制备的钛基复合材料具备良好的室温力学性能，室温拉伸强度可达895MPa，断后伸长率达到16％，具有良好的强度塑性匹配。
实施例2，本实施例中钛基复合材料制备方法与实施例1不同之处在于，所述原料包括占总重量3％的高纯度Cr3C2粉末，各占总重量2％的高纯Al豆和高纯Al箔，余量为0级海绵钛颗粒。对所制备钛基复合材料的摩擦磨损性能进行检测。检测结果表明，在相同的摩擦磨损测试条件下(转速400r/min、载荷100g、时间30min)，本发明实施例2制备的钛基复合材料的摩擦磨损性能比TC4钛合金更加优秀。
从图4可以看出，本发明实施例2制备的钛基复合材料的平均摩擦系数为0.301，TC4钛合金的平均摩擦系数为0.432，表明本发明实施例2制备的钛基复合材料具有十分优异的摩擦磨损性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种低成本高性能高耐磨钛基复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：配料，熔炼，制备铸锭，所述原料包括占总重量2％-8％的高纯度Cr3C2粉末，占总重量2％-6％的高纯Al豆和高纯Al箔，余量为0级海绵钛颗粒，所述Cr3C2粉末使用纯铝箔进行包裹后熔炼；
步骤二：对钛基复合材料铸锭表面进行机械打磨并涂覆高温抗氧化涂料，随后在β相区进行开坯锻造，锻造总变形量不低于70％，获得钛基复合材料锻坯；
步骤三：对步骤二获得钛基复合材料锻坯表面进行机械打磨并涂覆高温抗氧化涂料，随后在α+β相区进行锻造，锻造总变形量不低于70％，获得钛基复合材料棒材。
2.根据权利要求1所述的一种低成本高性能高耐磨钛基复合材料制备方法，其特征在于：所述0级海绵钛颗粒的纯度≥99.97％，0级海绵钛颗粒的粒径为2-10mm，所述高纯Cr3C2粉末的纯度≥99.95％，高纯Cr3C2粉末的粒径为0.325mm，所述高纯Al豆的纯度≥99.97％，高纯Al豆的粒径为5-10mm，所述高纯Al箔的纯度≥99.97％，铝箔的厚度为0.2mm。
3.根据权利要求2所述的一种低成本高性能高耐磨钛基复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤一中，采用真空感应悬浮熔炼炉进行钛基复合材料熔炼，熔炼前，将熔炼炉内部抽至真空度为3-5×10-3Pa，并充入高纯氩气进行气氛保护，熔炼时的感应电源功率为200-400kW，熔炼总时长为30-50min。
4.根据权利要求3所述的一种低成本高性能高耐磨钛基复合材料制备方法，其特征在于：熔炼时，将感应电源功率调至300kW后保持10min，然后将感应电源功率调至220kW后保持10min，随后将感应电源功率调至100kW后保持10min，最后将感应电源功率调至30kW后保持10min，随后关闭感应电源并结束熔炼，等待试样炉冷至室温，得到钛基复合材料铸锭。
5.根据权利要求1-4任意权利要求所述的一种低成本高性能高耐磨钛基复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤二中，将钛基复合材料铸锭在β相区进行开坯锻造，对铸锭进行三墩三拔，将铸锭锻造成50mm×50mm×80mm的钛基复合材料锻坯；所述在β相区进行开坯锻造的温度为1150℃，开坯锻造前的保温时间为1.5-2.5h。
6.根据权利要求5所述的一种低成本高性能高耐磨钛基复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤三中，将钛基复合材料锻坯在α+β相区进行锻造，对步骤二中所述锻坯进行三墩三拔，将其锻造成25mm×25mm×300mm的钛基复合材料方形棒材；所述在α+β相区锻造的温度为900℃，锻造前的保温时间为1.5-2.5h。
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