CN1246105C - 原位自生钛基复合材料的超塑性加工方法 - Google Patents

Abstract

一种原位自生钛基复合材料的超塑性加工方法，用于材料科学与工程领域。方法如下：利用真空自耗电弧炉熔炼制备TiB和TiC混杂增强的钛基复合材料铸锭，熔炼进行二次或三次；在β区间进行开坯锻造，变形量超过50%，接着在α+β两相区间进行常规锻造，变形量超过75%，锻造后材料利用机加工设备去掉表面的氧化皮及缩孔、偏析、夹杂缺陷；该复合材料然后在其具有超塑性特征的区间进行模锻或自由锻成型制备所需的零件或材料；随后将制备零件或材料进行热处理以满足需求。本发明可制备出增强体分布更为均匀，与基体结合更好非连续增强钛基复合材料，可简捷、低成本近终成型制备出新型钛基复合材料及其零件，适合大批量的工业生产，尤其适合大批量加工零件。

Description

原位自生钛基复合材料的超塑性加工方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于复合材料技术领域的加工方法，具体是一种原位自生钛基复合材料的超塑性加工方法。

背景技术

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。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相比，具有各向同性的颗粒增强钛基复合材料机械性能提高幅度大、成本相对降低、技术经济效益明显。传统外加法制备钛基复合材料，与基体合金比较，复合材料的性能虽然获得了提高，然而也显著提高了复合材料的成本，因而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后可极大地减轻汽车重量、降低燃料消耗、提高汽车工作效率、改善环境和降低噪音等，但是目前制备、加工钛基复合材料的成本太高，只是在赛车、高级轿车中获得应用。因此，钛基复合材料还必须进一步降低成本至汽车工业可以接受的水平。利用增强体的原位合成法，避免了外加增强体的污染问题和熔铸过程中存在的陶瓷颗粒与基体合金的湿润性问题，使增强体分布更为均匀，与基体结合更好，可制备出性能更高的颗粒增强钛基复合材料。然而，具有高硬度的增强体分布于软的基体上，使得颗粒增强复合材料的机械加工性能变差；另一方面，有些形状复杂的构件机械加工过程难以完成，这限制了复合材料的应用和发展。为了解决这一问题，近终成型技术(near-net shape)用来生产金属基复合材料构件，不但可以节省原材料消耗，还可以大幅度降低加工成本。近终成型技术的关键是超塑性变形。

经文献检索发现，B.P.Bewlay等人在《Materials and Design》，2000，(21)：287-295，撰文“Superplastic roll forming of Ti alloys(钛合金的超塑轧制成形)”，该文介绍了传统的加工钛合金零件的方式如锤锻、热模锻及等温锻等加工成本高，且加工较为困难。而利用超塑性成形加工方法则可解决以上问题。然而，迄今为止，尚未有对原位自生钛基复合材料超塑成型工艺的研究。而超塑成型是简捷、低成本制备原位自生钛基复合材料零件最好的成型工艺。

发明内容

本发明针对现有技术中钛基复合材料加工温度范围窄、难于加工等不足和缺陷，提供一种原位自生钛基复合材料超塑性加工方法，使其结合原位合成制备钛基复合材料，然后利用钛基复合材料在一定的温度范围和一定的应变变形区间呈现超塑性的变形特征，制备原位自生钛基复合材料零件和材料。利用本发明可以制备出增强体分布更为均匀，与基体结合更好非连续增强钛基复合材料。可以简捷、低成本近终成型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、高性能钛基复合材料的迫切需求。

本发明是通过以下技术方案实现的，方法步骤如下：

(1)利用真空自耗电弧炉熔炼制备TiB和TiC混杂增强的钛基复合材料铸锭，为保证材料成分均匀，熔炼进行二次或三次；增强体体积分数过高会导致材料脆性增加，不利于材料的制备及应用，为确保复合材料的成功制备和加工，增强体的体积分数控制在25％以内；

(2)为保证材料组织细化、均匀，在β区间进行开坯锻造，在β区间材料容易变形，易于锻造；变形量超过50％，才能保证锻造后组织晶粒细小、均匀，从而使最终得到的材料具备优良的性能；接着在α+β两相区间进行常规锻造，变形量超过75％，锻造后材料利用机加工设备去掉表面的氧化皮及缩孔、偏析、夹杂等缺陷；

(3)该复合材料然后进行模锻或自由锻成型制备所需的零件或材料。

模锻或自由锻在温度范围920℃～1080℃，应变速率范围在1×10^-4s^-1～2×10^-2s^-1进行。

(4)随后将制备零件或材料进行固溶强化热处理以满足需求。

本发明在不改变传统钛合金制备设备和工艺流程的情况下，简捷低成本近终成型制备高性能的钛基复合材料零件，并且可以通过调整加工温度范围制备不同显微组织即不同性能的复合材料以满足不同需求。与传统方法比较，该方法具有近终成型的特点，尤其适合批量制备零件，可以拓展高性能钛基复合材料的应用范围。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下五个实施例：

实施例1：制造增强体1％钛基复合材料零件

利用真空自耗电弧炉熔炼制备TiB和TiC混杂增强的钛基复合材料铸锭，其中增强体体积分数为1％。为保证材料成分均匀，进行二次熔炼；然后在β区间(1100℃)进行开坯锻造，变形量60％，接着在α+β两相区间(1030℃)进行常规锻造，变形量80％，锻造后材料利用机加工设备去掉表面的氧化皮及其它缺陷；该复合材料然后在920℃，应变速率范围为10^-3s^-1条件下，进行模锻成型制备所需的零件。

实施例2：制造增强体8％钛基复合材料

利用真空自耗电弧炉熔炼制备TiB和TiC混杂增强的钛基复合材料铸锭，其中增强体体积分数为8％。为保证材料成分均匀，进行二次熔炼；然后在β区间(1150℃)进行开坯锻造，变形量70％，接着在α+β两相区间(1000℃)进行常规锻造，变形量90％，锻造后材料利用机加工设备去掉表面的氧化皮及其它缺陷；该复合材料然后在1080℃，应变速率范围为2×10^-2s^-1条件下，进行自由锻成型加工材料，随后进行淬火、失效处理，制得所需材料。

实施例3：制造增强体25％钛基复合材料零件

利用真空自耗电弧炉熔炼制备TiB和TiC混杂增强的钛基复合材料铸锭，其中增强体体积分数为25％。为保证材料成分均匀，进行三次熔炼；然后在β区间(1150℃)进行开坯锻造，变形量80％，接着在α+β两相区间(1030℃)进行常规锻造，变形量75％，锻造后材料利用机加工设备去掉表面的氧化皮及其它缺陷；该复合材料然后在1000℃，应变速率范围为1×10^-4s^-1条件下，进行自由锻成型制备所需的零件。

实施例4：制造增强体5％钛基复合材料零件

利用真空自耗电弧炉熔炼制备TiB和TiC混杂增强的钛基复合材料铸锭，其中增强体体积分数为5％。为保证材料成分均匀，进行三次熔炼；然后在β区间(1150℃)进行开坯锻造，变形量50％，接着在α+β两相区间(1030℃)进行常规锻造，变形量80％，锻造后材料利用机加工设备去掉表面的氧化皮及其它缺陷；该复合材料然后在980℃，应变速率范围为5×10^-3s^-1条件下，进行模锻成型制备所需的材料。

实施例5：制造增强体1％钛基复合材料零件

利用真空自耗电弧炉熔炼制备TiB和TiC混杂增强的钛基复合材料铸锭，其中增强体体积分数为1％。为保证材料成分均匀，进行二次熔炼；然后在β区间(1100℃)进行开坯锻造，变形量60％，接着在α+β两相区间(1030℃)进行常规锻造，变形量75％，锻造后材料利用机加工设备去掉表面的氧化皮及其它缺陷；该复合材料在980℃，应变速率范围为5×10^-3s^-1条件下，进行模锻成型制备所需的零件。

Claims (1)

1、一种原位自生钛基复合材料的超塑性加工方法，其特征在于，方法步骤如下：

(1)利用真空自耗电弧炉熔炼制备TiB和TiC混杂增强的钛基复合材料铸锭，熔炼进行二次或三次；

(2)在β区间进行开坯锻造，变形量超过50％，接着在α+β两相区间进行常规锻造，变形量超过75％，锻造后材料利用机加工设备去掉表面的氧化皮缩孔、偏析、夹杂缺陷；

(3)该复合材料进行模锻或自由锻成型制备所需的零件或材料；

(4)随后将制备零件或材料进行固溶强化热处理，

步骤(3)中，复合材料在温度范围920℃~1080℃，应变速率范围在1×10^-4s^-1～2×10^-2s^-1进行模锻或自由锻成型制备所需的零件或材料，

步骤(1)中，增强体的体积分数控制在25％以内。