[发明专利]一种颗粒增强钛基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别是涉及一种颗粒增强钛基复合材料的制备方法。

背景技术

钛基复合材料(TMCs)具有高的比强度和比刚度以及良好的高温抗蠕变性能，因此在航空航天领域极具吸引力。近年来，随着非连续增强钛基复合材料(DRTMCs)研究的广泛开展，在军事、汽车、体育、工业及医疗器械等领域显示出良好的应用前景。TiC、TiB结构稳定、并与钛基体互容，已成为颗粒增强钛基复合材料的主要增强体。近年来，材料研究者也逐渐把目光投向了金属基复合材料的混杂，以广泛地满足设计与结构形式的需要。混杂增强是获得高性能复合材料的有效方法，它可以兼顾两种或多种增强体的特点使之起到相互弥补的作用，特别是由于产生的混杂效应将明显提高或改善单一增强材料的某些性能，从而扩大材料设计的自由度。因此，对于TiB与TiC原位自生混杂增强钛基复合材料方面的研究将很有意义。

TiC、TiB混杂增强钛基复合材料的研究还处在初级阶段，制备方法主要有原位热压法、熔铸法、自蔓延燃烧合成+熔铸技术。原位热压法是使用合金粉末和反应剂作为原材料，先均匀混合后冷压实，然后在真空热压炉中逐步加热除气，高温热压，制成复合材料。德国的C.F.Yolton采用TiB₂和TiC与Ti-6Al-4V合金粉末混合，热压后进行挤压，合成TiC+TiB/Ti-6Al-4V复合棒材，名义成分为Ti-6Al-4V-1.3B-0.5C。TiB纤维尺寸为0.2～3um，TiC颗粒尺寸3～5um。印度B.H.Radhakrishna Bhat以B₄C做为反应剂，热压法合成了TiC+TiB/Ti复合材料，增强体的体积分数占70％。倪丁瑞等合成了不同TiC和TiB配比的纯钛为基体的复合棒材。

熔铸法是将反应剂粉末与相应数量的海绵钛及合金化元素的中间合金混合，采用通常的钛合金的熔炼工艺，利用自耗电弧炉，经两次或三次自耗重熔获得。由于海绵钛孔洞的吸附作用，反应剂粉末很容易较均匀地分散在海绵钛的微孔中，而不需特别的粉末混合工艺。张小农等利用B₄C、石墨粉末作为反应剂，熔铸后在较高的温度经过多道次热锻，加工TiC+TiB/Ti6242复合棒材。TiB有片状、四方柱状和六方柱体，它们的直径约为5-10um，而长度约200um；TiC形成等轴或近似等轴状的增强颗粒，在一定的情况下，TiC易形成成分过冷，长成树枝晶组织，大小不一，从2-3um到300um都有。

自蔓延燃烧合成+熔铸技术是将钛粉和反应剂混合均匀压成薄饼，然后和海绵钛放入电弧炉或凝壳感应炉中加热，在加热的过程中海绵钛熔化，反应产物均匀的分布在熔体中。印度Rangnath S利用B₄C作为反应剂，首次采用自蔓延燃烧技术与传统熔铸法相结合合成TiC+TiB/Ti复合材料，增强体重量分数分别为18.5％TiB和6％TiC，增强体颗粒尺寸在5-30um范围内。V.de CASTRO合成的TiC+TiB/Ti复合材料，增强体重量百分数分别为5.6％、8.5％、9.7％、13.1％。

在颗粒增强钛基复合材料的制备过程中，通常采用外加法和内生颗粒两种途径。由于外加颗粒粗大，存在内部缺陷以及与基体界面存在界面反应等不足，使得复合材料的性能恶化。原位自生的颗粒增强相化学稳定性好、与界面结合好等特点，但增强体形状复杂使增强体过早断裂造成材料的失效。因此颗粒增强钛基复合材料的界面状态、增强体的尺寸及形状与合金性能密切相关。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种颗粒增强钛基复合材料的制备方法。以制备出具有较高的增强效果，较好的韧性以及耐磨耐蚀性能好的TiC和TiB混杂增强钛基复合材料。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于制备过程为：

(1)TiC和TiB二元增强钛基复合材料在熔炼前，进行以下预处理：将Ti粉末与反应剂粉末按体积百分比Ti粉末∶反应剂粉末为1-6∶1预混合，再在球磨机上进行充分混合24-32小时，将混合粉末用冷等静压机冷等静压成坯料，压力为200-300MPa，保压3-5min，将所述坯料在真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1100～1300℃，保温2～5h，随炉冷却后制得TiC和TiB二元增强体；所述反应剂粉末为B₄C或B₄C与VC的混合物，B₄C和VC的体积比为1∶3；